JPH05125619A - 円筒状構造をもつ黒鉛繊維 - Google Patents

円筒状構造をもつ黒鉛繊維

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 通常の黒鉛構造とは異なる新規な炭素繊維材
料を提供する。 【構成】 炭素元素をその構成単位として、６員環を主
構造としたヘリカル構造で形成された円筒形状を有する
外径３０ｎｍ以下の大きさの黒鉛繊維である。円筒格子
ａ1〜ａ3は、多重構造で、内外に隣接する円筒と円筒と
の間隔は、グラファイト構造のＣ面の間隔で０．３４ｎ
ｍ程度である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、黒鉛（グラファイト）
を基本構造とした炭素元素からなる繊維の構造に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】炭素原子は、生体を構成する有機物の重
要な元素であり、また、石油化学工業製品原料物質の主
要構成元素として、我々の生活に深く関わっている。炭
素原子単体からなる物質は、化学的に極めて安定なこと
から、装飾用ダイヤモンド，工業用ダイヤモンド，炭素
繊維，活性炭，製鋼用電極材料，原子炉構造材，高温発
熱体，カーボンブラシ等など広い分野で利用されてい
る。
【０００３】以上のように炭素原子は、容易にしかも安
価に入手できる代表的な工業原料であり、工業分野への
利用範囲の拡大が望まれている。
【０００４】従来、炭素原子から構成される物質の構造
は、炭素原子のシグマ電子結合とパイ電子結合の二つの
結合状態が知られている。前者には天然ダイヤモンドや
人工ダイヤモンドがあり、後者には黒鉛がある。また両
者の中間に非晶質構造をもつ炭素材料がある。
【０００５】黒鉛は、層状物質であり、炭素原子６員環
を単位とし２次元に広がった構造が層状に繰り返された
構造をもつ。黒鉛炭素材料の製造方法はすでに確立され
ており、工業的に大量生産が行われている。
【０００６】通常の黒鉛材料の製法は、３つに大別され
る。すなわち、粉砕したコークスと結合剤を原料として
液相炭素化処理で黒鉛化する方法、ポリアクリルニトリ
ル，ピッチ，レーヨンなどを紡糸してもとの繊維を保っ
たまま固相炭素化する方法、及び、炭化水素ガスを熱分
解し気相炭素化する方法である。
【０００７】黒鉛構造をもつ炭素材料の中で繊維状のも
のは、上に述べた固相炭素化による方法の他に、金属微
粒子を触媒として炭化水素ガスの熱分解により黒鉛繊維
を形成する方法、金属微粒子を触媒として非晶質の炭素
繊維を形成し、これを熱処理して黒鉛化する方法によっ
て得られ、また希ガス雰囲気で二つの黒鉛電極間の直流
放電によっても針状の黒鉛が成長することが知られてい
る。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】ところが、これらの製
造法で作られる黒鉛繊維は、数十ｎｍ以上の太さであ
り、炭素原子の６員環は、繊維軸にほぼ平行に配置され
ている黒鉛結晶構造をもつが、その結晶性はよくない。
もっとも、繊維方向の引っ張り強度は大きくなるが、化
学的安定性や電気的特性は、バルクの黒鉛と本質的に変
わらない。
【０００９】以上のように、現在知られている黒鉛構造
を主体とする炭素材料の化学的，物理的特性は、本質的
にバルク状黒鉛と大差はない。炭素原子からなる材料の
より広い工業的応用を考えるとき、炭素原子からなる新
しい構造をもつ新材料物質の開発が望まれている。
【００１０】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであり、本発明の目的は、通常の黒鉛構造とは異
なる炭素材料を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明による円筒状構造をもつ黒鉛繊維において
は、円筒状構造をもつ黒鉛繊維であって、円筒状構造
は、炭素元素をその構成単位として６員環を主構造とす
るヘリカル構造で形成されたものであり、繊維の外径
は、３０ｎｍ以下の大きさである。
【００１２】また、円筒状構造は、個々の円筒自身がヘ
リカル構造をなす多重の構造であり、内外に隣接する円
筒と円筒との間隔は、グラファイト構造のＣ面の間隔に
相当するものである。
【００１３】
【作用】本発明は、希ガス雰囲気で黒鉛電極の直流放電
によって繊維状黒鉛を成長させる製造方法を基本とし、
従来の黒鉛とは異なる構造の炭素材料を得るものであ
る。
【００１４】基本となる方法は、１９６０年に米国ユニ
オンカーバイト社のロジャー・ベーコンにより提案され
たもので、この方法は、約９０気圧のアルゴンガス雰囲
気で二つの炭素棒電極間に直流放電を起させ、負の電極
上に直径１〜５ミクロン，長さ２〜３ｃｍの黒鉛繊維を
製造するものである。この方法によれば、繊維状黒鉛の
結晶構造に、通常の黒鉛と同じものが得られる。
【００１５】すなわち、個々の黒鉛繊維は、数個の短冊
状黒鉛単結晶を繊維軸の回りに束ねた構造を有し、個々
の短冊状黒鉛結晶は、結晶粒界を経て互いに結合した多
結晶体である。
【００１６】本発明では、アルゴンガスの圧力を数百Ｔ
ｏｒｒ以下に減圧し、放電電流を２００Ａ程度に設定し
て放電させて黒鉛繊維を得るものである。常圧以上の雰
囲気では、前述のように個々の繊維が太く成長し、通常
の黒鉛と同じ構造が得られるのに対し、本発明で得られ
る黒鉛繊維は、繊維の直径が従来のものより１０００分
の１程度まで細くすることができる。電子顕微鏡を用い
た結晶構造解析によると、本発明方法では通常の黒鉛繊
維とは結晶学的に異なる構造の黒鉛繊維となる。
【００１７】得られた黒鉛繊維の電顕像には、軸方向に
平行にグラファイトのＣ面に相当する格子像が見られ、
また、必ず同数の格子像が軸の両側に現われる。これら
により本発明による繊維状黒鉛は、同心円状に配置され
た数原子層の‘入れ子’状円筒からなり、図２に模式的
に示すような円筒格子ａ1，ａ2…を形成することがわか
る。円筒格子を持つ物質は極めて珍しく、天然の鉱物石
綿に見られるのみである。それぞれの円筒は、黒鉛状炭
素原子面を丸めた閉殻構造で、繊維の中心部は空洞であ
る。内外に隣接する円筒と円筒との間隔は、グラファイ
ト構造のＣ面に相当する間隔であり、これは０．３４ｎ
ｍであると測定された。また、最も薄い円筒壁は、僅か
２原子層からなるものも得られた。
【００１８】本発明による繊維状黒鉛の外径は、３０ｎ
ｍ以下、最小のもので４ｎｍであり、長さは１μｍに達
するものもある。また、繊維状黒鉛を構成する各々の円
筒上の炭素原子６員環は、針状黒鉛の軸方向に沿ってヘ
リカル状に配置されている。
【００１９】ヘリカル構造は、ＤＮＡの二重らせん構造
のように生体構造に見られる構造であるが、無機物質結
晶にヘリカル構造が形成されるのは極めて珍しい。繊維
状黒鉛を構成する個々の円筒自身にヘリカル構造があ
り、この構造が黒鉛の特定方向への成長を促進し、繊維
状構造が形成される。
【００２０】
【実施例】以下に本発明の実施例を図によって説明す
る。図１は、アルゴンガス雰囲気で繊維状黒鉛を製造す
る装置の例を示したものである。図において、繊維状黒
鉛が成長する一対の炭素棒電極７，１０を真空容器１の
中央に配置し、容器１内を真空排気系２で排気する。所
定の圧力、例えば、真空計３で計測して１０-6Ｔｏｒｒ
程度になった段階で真空バルブ４を閉じ、ガス供給系５
によりアルゴンガスを供給する。圧力計６により圧力を
測定し、真空容器１内が所定圧力になるように設定す
る。
【００２１】一方の炭素棒電極７は、アーク放電８の正
導電端子９に、他方の炭素棒電極１０を負導電端子１１
に接続する。正の炭素棒電極７は、可動装置１２により
電極間のギャップを適当に調整する。放電による発熱に
よる装置の温度上昇を防ぐために、真空容器１と放電電
流の導入端子９，１１には水冷管（図示略）が付けられ
ている。
【００２２】炭素棒電極７，１０に、直径１ｃｍの２本
の炭素棒電極７，１０を用い、アルゴン（１００Ｔｏｒ
ｒ）雰囲気中で電極７，１０間に直流アーク放電を起こ
させる。放電電圧を３０Ｖとし、放電電流を、２００Ａ
に設定して放電を５分間持続させた。その結果、負電極
である炭素棒電極１０の先端には、直径２ｃｍの炭素の
堆積物の塊が成長した。
【００２３】この堆積物は、部分的に黒鉛化したガラス
状部分と繊維状黒鉛の部分からなっている。繊維状黒鉛
の部分は、外径端数ｎｍ、繊維の長さは、長いもので１
ミクロンに達する繊維状黒鉛の集合体であった。この製
法によれば、円筒は、図２に示したような多重構造にな
る。図２では、三重の円筒格子ａ1〜ａ3であるが、二
重，五重，七重などの多重構造が得られる。
【００２４】二重構造では外径５．５ｎｍ、五重構造で
は外径６．７ｎｍ、七重構造では外径６．５ｎｍのもの
が得られた。最内側の円筒の径はそれぞれ異なってお
り、七重構造のものは最も小さく２．３ｎｍしかない。
そのため五重構造のものより外径が小さい。このように
外径数ｎｍになる場合が多いが１０ｎｍ，２０ｎｍ，３
０ｎｍのものもある。
【００２５】ガスの圧力を１０Ｔｏｒｒにすると繊維状
黒鉛の部分が減少し、ガラス状炭素の部分が増加した。
また雰囲気ガスをヘリウムにして圧力を１００Ｔｏｒｒ
にすると、繊維状黒鉛の部分が減少し、ガラス状炭素の
部分が増加した。
【００２６】雰囲気ガス圧力の増加とともに成長する繊
維状黒鉛の繊維の外径は、増加する傾向が認められた。
以上の繊維状黒鉛の製造過程の再現性は十分であった。
【００２７】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、従来の繊
維状黒鉛とは結晶構造が異なる円筒状で、かつヘリカル
構造をもち、繊維の外径が３０ｎｍ以下の繊維状黒鉛が
得られ、その特異な形状からして通常のグラファイト、
あるいはグラファイト繊維より機械的強度が高いことが
期待される。また、円筒状に曲げられた形状で、かつ極
めて微細構造であることから、一次元の量子細線とも見
なすことができる。したがって、通常のグラファイトと
は異なる電子構造をもつことが期待され、金属的であっ
たり、絶縁体にもなり得る新しい黒鉛繊維材料として提
供できる効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】黒鉛繊維形成装置の概略図である。
【図２】黒鉛繊維の円筒状構造の模式図である。
【符号の説明】
１ 真空容器 ２ 真空排気系 ３ 真空計 ４ 真空バルブ ５ アルゴンガス供給系 ６ 圧力計 ７ 炭素棒電極 ８ アーク放電源 ９ 正導電端子 １０ 炭素棒電極 １１ 負導電端子 １２ 可動装置

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 円筒状構造をもつ黒鉛繊維であって、 円筒状構造は、炭素元素をその構成単位として６員環を
    主構造とするヘリカル構造で形成されたものであり、 繊維の外径は、３０ｎｍ以下の大きさであることを特徴
    とする円筒状構造をもつ黒鉛繊維。
  2. 【請求項２】 円筒状構造は、個々の円筒自身がヘリカ
    ル構造をなす多重の構造であり、 内外に隣接する円筒と円筒との間隔は、グラファイト構
    造のＣ面の間隔に相当するものであることを特徴とする
    請求項１に記載の円筒状構造をもつ黒鉛繊維。
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