(57)【要約】【課題】本発明は、ナノ粒子生成技術の内、アークプラズマを利用した技術をより一層改良することを目的とする。【解決手段】上記課題を解決するために、炉内に設置した両電極間に発生したアークプラズマにより、無機塊状物からナノ粒子を生成するナノ粒子作製装置であって、前記無機塊状物の設置個所にカーボンるつぼが配置され、当該カーボンるつぼに前記無機塊状物を保持させて、前記アークプラズマを発生させ得るようにしてあることを特徴とするナノ粒子作製装置を採用した。また、前記ナノ粒子作製装置を用いたナノ粒子作製方法であって、ナノ粒子生成中の前記炉内の雰囲気は、窒素単独若しくは窒素が５０ｖｏｌ％以上含有されている不活性ガスとしたことを特徴とする手段を用いた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉内に設置した両電極間に発生したアークプラズマにより、無機塊状物からナノ粒子を生成するナノ粒子作製装置であって、前記無機塊状物の設置個所にカーボンるつぼが配置され、当該カーボンるつぼに前記無機塊状物を保持させて、前記アークプラズマを発生させ得るようにしてあることを特徴とするナノ粒子作製装置。
【請求項２】
請求項１に記載のナノ粒子作製装置において、前記カーボンるつぼは陽極電極上に設置してあることを特徴とするナノ粒子作製装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のナノ粒子作製装置を用いたナノ粒子作製方法であって、ナノ粒子生成中の前記炉内の雰囲気は、窒素単独若しくは窒素が５０％以上含有されている不活性ガスとしたことを特徴とするナノ粒子作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炉内に設置した両電極間に発生したアークプラズマにより、無機塊状物からナノ粒子を生成するナノ粒子作製装置とそれを用いたナノ粒子作製方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＳｉＣ等のナノ粉末の製造法には、大別して以下の３つのプロセスがある（たとえば、非特許文献１、２参照）。
１）塊をボールミル、振動ミルなどの機械的な粉砕技術により微粉砕した後、化学的精製処理、脱酸・解砕して、平均粒径４００−７００ｎｍのＳｉＣ粒子を得る。
２）有機ポリマーの熱分解および合成されるべき元素の反応などを利用した気相中での合成である。
３）特許文献１から３に示されているように、アークプラズマを使用して塊状物からナノ粒子を生成する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、このようなナノ粒子生成技術の内、アークプラズマを利用した技術をより一層改良することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
発明１のナノ粒子作製装置は、  炉内に設置した両電極間に発生したアークプラズマにより、無機塊状物からナノ粒子を生成するナノ粒子作製装置であって、前記無機塊状物の設置個所にカーボンるつぼが配置され、当該カーボンるつぼに前記無機塊状物を保持させて、前記アークプラズマを発生させ得るようにしてあることを特徴とするナノ粒子作製装置。
発明２は、発明１のナノ粒子作製装置において、前記カーボンるつぼは陽極電極上に設置してあることを特徴とするナノ粒子作製装置。
【０００５】
発明３は、発明１又は２のナノ粒子作製装置を用いたナノ粒子作製方法であって、ナノ粒子生成中の前記炉内の雰囲気は、窒素単独若しくは窒素が５０ｖｏｌ％以上含有されている不活性ガスとしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
前記のようにカーボンるつぼを利用することで、無機塊状物がアークプラズマにて加熱された温度が、他に逃げず、安定した温度で無機塊状物のナノ粒子化が行えるようになった。
また、サーマルショックもなくなり、安定してナノ粒子を発生させることができた。
【０００７】
また、窒素を５０ｖｏｌ％以上含有することで、その生成効率を向上することができた。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】ナノ粒子作製装置の概略図である。
【図２】塊状ＳｉＣおよびＣ／Ｓｉ＝１／１の混合粉末成形体に窒素プラズマを照射して得られたナノ粒子のＸ線回折結果である。
【図３】ＳｉＣナノ粒子のＢＥＴ比表面積測定の結果から得られる平均粒径を示したグラフである。
【図４】塊状ＳｉＣに１００ｖｏｌ％Ｎ２プラズマを照射して得られたナノ粒子の透過顕微鏡写真である。
【図５】５０ｖｏｌ％Ｎ２−Ａｒおよび１００ｖｏｌ％Ｎ２雰囲気で塊状ＳｉＣに窒素プラズマを照射して発生したＳｉＣナノ粒子の発生速度を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、実施例を示し、この出願の発明の窒素プラズマによるＳｉＣナノ粒子の製造法についてさらに詳しく説明する。
【実施例】
【００１０】
図１は、ナノ粒子作製装置の概略図である。
【００１１】
ナノ粒子作製装置は、熱プラズマ炉、アーク放電用直流電源、ナノ粒子捕集用フィルター（日本精線、６０φ×２００Ｌ、細孔径約３μｍ）、真空ポンプ、循環ポンプなどから構成されている。
【００１２】
アーク放電は、陽極の水冷銅ハース上の試料（無機塊状物）、陰極のタングステン電極間に発生するが、試料のサーマルショックの予防と水冷銅ハースによる試料への熱効率低下を抑制するために、水冷銅ハース上にカーボンるつぼを置き、その上に試料を置く。炉内で発生するナノ粒子は循環ポンプによるガス流により冷却されながら運ばれ、ナノ粒子捕集用フィルターで捕集される。
【００１３】
出発原料として、ＳｉＣ（高純度化学研究所、純度９９．９９％以上）の塊状体と混合粉末成形体を用いた。混合粉末成形体は、粉末Ｃ（高純度化学研究所、純度９９．９％以上、粒径２０μｍ）と粉末Ｓｉ（高純度化学研究所、純度９９．９％以上、粒径１５０μｍ）をｍｏｌ比Ｃ／Ｓｉ＝１／１およびＣ／Ｓｉ＝６／４で混合し、結合剤であるＰＶＢ（ポリビニルブチラール）を約７．５ｗｔ％添加して２４０ｋｇ／ｃｍ２で一軸成形した均一な混合粉末成形体である。
【００１４】
雰囲気は、５０ｖｏｌ％Ｎ２−Ａｒおよび１００ｖｏｌ％Ｎ２とした。
【００１５】
塊状ＳｉＣについては、前述のナノ粒子作製装置のカーボンるつぼの上に載せ、真空ポンプで炉内を０．１３Ｐａ以下の真空とした。この後、各雰囲気ガスを導入し、炉の圧力を０．１ＭＰａに保ち、循環ポンプを作動させた。電流を１５０Ａに設定し、陰極と陽極である水冷銅ハースおよびカーボンるつぼ間にアークプラズマを発生させた。アークプラズマは初期にはカーボンるつぼに照射し、塊状ＳｉＣが加熱した後にアークプラズマを塊状ＳｉＣに照射した。
【００１６】
粉末Ｃと粉末Ｓｉの混合粉末成形体については、カーボンるつぼの上に載せ、真空ポンプで炉内を０．１３Ｐａ以下の真空にした後、ＰＶＢの除去とアークプラズマによる粉末の飛散を抑制するために、雰囲気に１００ｖｏｌ％Ａｒを用いてＡｒプラズマを発生させ、混合粉末成形体に照射し、加熱した。加熱時間は１０ｓｅｃ程度とし、加熱後すぐに炉内を真空にした。この後の操作は、塊状ＳｉＣのときと同様にした。
【００１７】
窒素プラズマを出発原料に照射するのと同時にプラズマフレームの周辺から煙状のナノ粒子が激しく噴出する様子が観察された。このような特異現象は１００ｖｏｌ％Ａｒ雰囲気下では観察されなかった。
【００１８】
発生したナノ粒子について、Ｘ線回折測定（日本電子、ＪＤＸ−３５００）による相の同定、ＢＥＴ法による平均粒径の算出およびナノ粒子の発生速度の測定を行った。
【００１９】
図２（ａ）（ｂ）に、出発原料に塊状ＳｉＣを、図２（ｃ）（ｄ）に、出発原料にＣ／Ｓｉ＝１／１の混合粉末成形体を用いたときに発生したナノ粒子の５０ｖｏｌ％Ｎ２−Ａｒおよび１００ｖｏｌ％Ｎ２雰囲気におけるＸ線回折測定の結果を示した。全般的にＳｉＣのピークが主体であり、５０ｖｏｌ％Ｎ２−Ａｒ雰囲気では僅少のＳｉピークが生成している。
【００２０】
なお、Ｃ／Ｓｉ＝６／４の混合粉末成形体を用いたときに発生したナノ粒子は、ＳｉＣと不純物Ｓｉ、Ｃを含んだものであった。出発材料をＣリッチ状態にしても不純物Ｓｉの生成を抑制することはできなかった。
【００２１】
図３に、得られたナノ粒子のＢＥＴ比表面積測定の結果から得られる平均粒径を示した。図３（ａ）（ｂ）は、出発原料が塊状ＳｉＣの場合で、図３（ｃ）（ｄ）は、出発原料がＣ／Ｓｉ＝１／１の混合粉末成形体の場合である。
【００２２】
ナノ粒子の平均粒径Ｄ（ｍ）は次式で求められる。
【００２３】
Ｄ＝６／Ｓ・ρ・１０６
ここで、Ｓは比表面積（ｍ２／ｇ）、ρはナノ粒子の密度（ｇ／ｃｍ３）である。
【００２４】
いずれの場合も、窒素を有する雰囲気中で発生したナノ粒子は、平均粒径が十分小さいことが確認される。
【００２５】
図４は、塊状ＳｉＣを１００ｖｏｌ％Ｎ２でプラズマ照射して得られたナノ粒子の透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真である。
【００２６】
形状は多角形状を示し、１０〜８０ｎｍ程度の大きさの粒子が混在しているのが認められる。このサイズは、前述のＢＥＴ法による平均粒径とよく一致している。
【００２７】
図５に、５０ｖｏｌ％Ｎ２−Ａｒおよび１００ｖｏｌ％Ｎ２雰囲気で塊状ＳｉＣに窒素プラズマを
照射したときに発生したナノ粒子の発生速度を示した。発生速度は、窒素プラズマ照射前と照射後の出発原料の質量損失量をアークプラズマ照射時間で除して算出したものである。図５から確認されるように、雰囲気中の窒素濃度の増大とともに発生速度が比例して増大しているのがわかる。この現象は、ＳｉＣ混合粉末成形体についても同様の結果を得ている。これらの結果は、出発原料を金属に置き換えて行った際に見られる現象と酷似しており、窒素ガスが熱プラズマにより活性化されることによる一種の強制蒸発現象であると考えられる。
【００２８】
以上から明らかにされるように、この出願の発明の窒素プラズマによるＳｉＣナノ粒子の製造方法は、不純物の少ない、平均粒径の小さなＳｉＣナノ粒子の製造を可能にする。また、窒素プラズマを用いることから、安全であり、経済的に優れたＳｉＣナノ粒子の製造法であると考えられる。
【００２９】
もちろん、この出願の発明は、以上の実施例によって限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
以上詳しく説明したとおり、実施例では高純度で平均粒径の小さなＳｉＣナノ粒子が高効率に製造される。比較的簡便なアーク溶解炉を基本とした熱プラズマ炉を用い、窒素ガスを用いることから、経済的であるとともに、安全性において優れており、波及効果は大きいと考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３１】
【特許文献１】特開昭６０−２２８６０９
【特許文献２】特開平０２−０２２４０５
【特許文献３】特表平０９−５０２９２０
【非特許文献】
【００３２】
【非特許文献１】阿諏訪  守，ＳｉＣ系セラミックス新材料，内田老鶴圃，日本学術振興会他・第１２４委員会編，ｐ．１２２−１２３  （２００１）
【非特許文献２】伊藤  淳，ＳｉＣ系セラミックス新材料，内田老鶴圃，日本学術振興会他・第１２４委員会編，ｐ．１４７−１４９  （２００１）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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