(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続セラミックナノファイバの製造方法において、
炭化ケイ素ポリマセラミック前駆体を得るステップと；
炭化ケイ素ポリマセラミック前駆体の溶液を得るために溶媒に前記炭化ケイ素ポリマセラミック前駆体を溶かすステップと；
連続炭化ケイ素ポリマセラミック前駆体の細い繊維を生成するために前記炭化ケイ素ポリマセラミック前駆体の溶液をエレクトロスピニングするステップと；
前記炭化ケイ素ポリマセラミック前駆体の細い繊維を熱分解するステップと、を具えることを特徴とする製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の製造方法であって、前記炭化ケイ素ポリマセラミック前駆体を得るステップは、ポリシランを得るステップを含むことを特徴とする製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載の製造方法であって、前記炭化ケイ素ポリマセラミック前駆体を得るステップは、ポリカルボシランを得るステップを含むことを特徴とする製造方法。
【請求項４】
請求項１に記載の製造方法であって、ドーパント含有化合物を得るステップと；エレクトロスピニングに先立って前記溶液と前記ドーパント含有化合物を混合するステップとをさらに具えることを特徴とする製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にナノテクノロジに関する。本発明は、特に連続炭化ケイ素ナノファイバに関する。
【背景技術】
【０００２】
過去１０年の間にナノテクノロジに対する関心が高まってきた。ナノテクノロジは、材料の少なくとも１つの寸法が非常に微小な規模に縮小されたときのみ発生する材料特性に関係する。このような規模の量では、機械的影響が発生して集合体のものとは異なる変化した材料特性を導く。
【０００３】
セラミックスは、工学アプリケーションに要求する多くの長所を有すると知られている。ナノスケールで得られるものを含んだセラミック材料の特性を利用することができるように、連続セラミックナノファイバを大量生産することが望ましいであろう。
【０００４】
特に炭化ケイ素は、高度な硬さ（ダイヤモンドが１０であるモーズ硬度計で９）および高弾性率の材料であり、主に研磨材として用いられるが、電子デバイス内の半導体材料としても用いられてきた。炭化ケイ素ナノファイバは化学蒸着法によって生成されてきたが、プロセスが遅く高価であり、限られた長さのファイバしか生成できない。炭化ケイ素ナノファイバの大量生産を可能にすることが望ましいであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
本発明は、例示的な実施形態によって記載されており、限定されないが、同一符号が類似要素を示す以下の添付図面に示される。
【０００６】
【図１】図１は、セラミックナノファイバの製造方法のフローチャートである。
【図２】図２は、炭化ケイ素前駆体の準備方法のフローチャートである。
【図３】図３は、セラミックナノファイバの製造装置の概略図である。
【図４】図４は、別材料の基体に埋め込まれたセラミックナノファイバを有する棒状の複合材料を示す図である。
【図５】図５は、図４に示す棒材の一部の拡大図である。
【図６】図６は、ｎおよびｐ型ドープ炭化ケイ素ナノファイバで作成された熱電発電機の概略図である。
【図７】図７は、本発明の別の実施形態によるｎおよびｐ型ドープ炭化ケイ素ナノファイバで生成された熱電発電機の分解図である。
【図８】図８は、相対的に高電力密度の熱電発電機を作るのに用いられる炭化ケイ素ナノファイバの台形波形状のｐおよびｎ型ドープストリップの配置の平面図である。
【図９】図９は、相対的に高電力密度の熱電発電機を作るのに用いられる炭化ケイ素ナノファイバの台形波形状のｐおよびｎ型ドープストリップの配置の下面図である。
【図１０】図１０は、図８および９に示す配置の斜視図である。
【図１１】図１１は、ｎおよびｐ型ドープ炭化ケイ素ナノファイバの台形ストリップの代替配置を示す。
【図１２】図１２は、例えばディーゼルエンジンの粒子状自動車廃気ガスをフィルタする炭化ケイ素ナノファイバ濾過材を用いた高温動作可能な粒子フィルタを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
必要に応じて本発明の詳細な実施形態がここで開示される。しかしながら、開示された実施形態は本発明の単なる例示であり、これは様々な形態で具現化できることを理解すべきである。したがって、本書で開示された特定の構造的および機能的な詳細は、限定するものと解すべきでなく、単にクレームの基礎として、および実際に何れかの適切な詳細構造に本発明を様々に使用する当業者に教示する代表的な基礎として解すべきである。さらに本書で用いる用語と語句は、限定するものと解すべきでなく、むしろ本発明の理解可能な記載を提供するためのものと解すべきである。
【０００８】
本書で用いる用語「一または１」は、１または１より多いものとして規定される。本書で用いる用語「複数」は、２または２より多いものとして規定される。本書で用いる用語「別」は、少なくとも第２またはそれ以上として規定される。本書で用いる用語「含む」および／または「有する」は、具える（すなわちオープンランゲージ）として規定する。本書で用いる用語「連結された」は、接続されたとして規定するが、必ずしも直接的ではなく、必ずしも機械的ではない。
【０００９】
図１は、連続セラミックナノファイバ１００、例えば炭化ケイ素ナノファイバの製造方法のフローチャートである。ブロック１０２では、ポリマセラミック前駆体が得られる。例えば、炭化ケイ素を生成するために使用される一の種類の前駆体は、生成されたポリカルボシランである。使用される別の種類の炭化ケイ素前駆体は、ポリシランである。双方は、ニューヨーク州マルタのＳｔａｒｆｉｒｅ（登録商標）Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃから利用可能である。ポリカルボシランは、日本の日本カーボン株式会社から利用可能である。ノースカロライナ州シャーロットのＣｌａｒｉａｎｔ’ｓ  Ｋｉｏｎ  Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ  Ｐｏｌｙｍｅｒｓは、窒化ケイ素の前駆体であるポリシラザンを生成している。
【００１０】
使用される別のポリマ炭化ケイ素前駆体は、米国特許第６，０２０，４４７号明細書の教示によって合成することができる。要するに’４４７の特許は、クロロシランの還元カップリングに関係するプロセスを教示しており、超音波の存在下でポリシランを形成する。
【００１１】
ポリシラザン前駆体は、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）ナノファイバを生成するために用いることができる。ポリシラザンは、クロロシランのアンモノリシスによって生成される。ポリボラジン前駆体は、窒化ホウ素（ＢＮ）ナノファイバを生成するために用いることができる。ポリボラジンは、クロロボランのアンモノリシスによって生成することができる。ポリボラン前駆体は、炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）を生成するために用いることができる。前述のものは、アルゴンまたは窒素中で熱分解することができる。
【００１２】
酸化物セラミックナノファイバも本書で記載された方法によって生成することができる。例えばゾル・ゲル剤、または加水分解されたアルコキシド（例えばチタンイソプロポキシド）は、空気中で熱分解して酸化物型セラミックナノファイバを得ることができる。幾つかの酸化物は、熱電装置を製造するためにも用いることができる。
【００１３】
ブロック１０４では、ポリマセラミック前駆体を溶媒に溶かし、ポリマセラミック前駆体の溶液を生成する。トルエン、テトラヒドロフラン、またはその混合物などの溶媒が用いられる。
【００１４】
図５，６，７に示し、後述する熱電発電機５００，６００，７００などの幾つかのアプリケーション用にｐおよびｎ型ドープ炭化ケイ素連続ナノファイバを得ることが望ましい。ブロック１０６では、ドーパント前駆体が溶媒に加えられる。適切なｐ型ドーパント前駆体は、亜リン酸（ＩＩＩ）有機金属化合物、例えばジフェニルホスフィノエチレンである。ｎ型ドープ炭化ケイ素ナノファイバの生成に適切なポリマ前駆体は、第一級、第二級、第三級の有機アミン（例えばメラミン、グアニジン）、無機アミン、有機金属シラザンなどの化学種を含む窒素の形態で少量のドーパントを溶かされた適切な溶媒にＳｉＣ前駆体を溶かすことによって生成することができる。
【００１５】
他のドーパントは、ホウ素、アルミニウム、および有機金属化合物を含むカーボンからも生成される。
【００１６】
再び図１を参照してブロック１０８では、ポリマセラミック前駆体がエレクトロスピニングされてポリマセラミック前駆体の細い連続繊維を生成する。ポリマセラミック前駆体をエレクトロスピニングする装置は、図２に示されており、後述される。方法１００のブロック１１０では、ポリマセラミック前駆体の細い連続繊維は、ポリマセラミック前駆体の細い連続繊維を連続セラミックナノファイバに変換するために熱分解される。ポリマセラミック前駆体は、アルゴンまたは窒素の不活性雰囲気中で１０００℃以上の温度に加熱することによって熱分解することができる。
【００１７】
図２は、炭化ケイ素前駆体の準備方法のフローチャートである。ブロック２０２では、溶媒（例えばトルエン）にモノマ（例えばクロロシラン）を溶かした溶液が準備される。ブロック２０４では、アルカリ金属（例えばナトリウム）または少なくとも１つのアルカリ金属を含む合金が溶液に入れられる。ブロック２０６では、溶液を超音波にかけるか、（例えば８０℃以下の温度に）加熱して、溶液内でポリマ前駆体（例えばポリシラン）を合成する。ブロック２０８では、遠心分離機にかけ、続いて洗浄することによってポリマ前駆体が溶液から抽出される。
【００１８】
図３は、セラミックナノファイバ、例えば炭化ケイ素ナノファイバの製造装置３００の概略図である。図３を参照すると、ポリマセラミック前駆体溶液３０２のリザーバがポンプ３０４に接続されていることが分かる。ポンプ３０４は、エレクトロスピニングスピナレット３０６にポリマセラミック前駆体溶液を汲み上げる。高電圧電源３０８は、スピナレット３０６とドラム３１０に接続されている。スピナレット３０６とドラム３１０の間に大きな電位差が設定される。この大きな電位差によって、スピナレット３０６からポリマセラミック前駆体溶液を取り出し、ポリマセラミック前駆体の細い繊維を生成することができる。ポリマセラミック前駆体の細い連続繊維は、ドラム３１０上に集められる。周期的にドラムを停止し、ドラム上に集まったポリマセラミック前駆体の細い繊維を取り外すことができる。装置３００が動作する際にドラムモータ３１２がドラム３１０を回転する。マスタコントローラ３１４（例えば機器制御ソフトウェアと共に構成されたデスクトップコンピュータ）は、装置３００の動作を制御するためにドラムモータ３１２、高電圧電源３０８、およびポンプ３０４に連結される。図３に示す装置および図１と図２に記載された方法に従って生成される連続炭化ケイ素ナノファイバは、長さ１ミリメートル以下のＣＶＤによって生成される炭化ケイ素ナノファイバとその長さによって区別される。
【００１９】
あるいは、ポリマセラミック前駆体の細い繊維を集めるためにドラム３１０を用いるのではなく、平板、コンベヤベルト、または連続繊維の材料を用いてもよい。別の代替実施形態によれば、ドラム３１０を用いるのではなく、（機械加工または別のプロセスによって形成された）形状面を有する対象物が用いられる。形状面はテンプレートとして機能し、その上に堆積するポリマセラミックナノファイバの細い連続繊維のマット形状を決定する。例えば、後述する図７および８に示す熱電発電機に用いる炭化ケイ素ストリップを形成するために、矩形波表面形状を有するテンプレートを用いてもよい。他の場合では、テンプレートを用いて他の形状を有する構造的部分を形成し、テンプレートによって規定してもよい。不織のファイバ繊維の最終形状は、エンボシングによって形成することができる。
【００２０】
図４は、別材料５０４の基体に埋め込まれたセラミックナノファイバ５０２を有する棒状の複合材料４００を示しており、図５は、図４に示す棒材４００の一部の拡大図である。基体を形成する別材料は、例えばイミド化されたポリアミド酸（ポリイミド）、ポリエステル、もしくはポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などの高分子材料、または銅、タングステン、インジウム、ガリウム、もしくはアルミニウムなどの金属でよい。ポリマ基体の場合には、セラミックナノファイバは溶融状態で基体内にファイバの溶浸によって加えられてもよいし、ポリイミドの場合には、ポリアミド酸が溶浸され、次いで２００℃超でポリイミドにイミド化することができる。金属基体の場合には、金属が溶融状態のときに金属内にセラミックナノファイバを追い込むことでセラミックナノファイバが入れられる。セラミックナノファイバは、複合材料の機械的特性、例えば強度、弾性係数を強化する。基体材料内にセラミックナノファイバを入れる前に任意にセラミックナノファイバを切断することができる。
【００２１】
図６は、連続ｎ型ドープ炭化ケイ素ナノファイバ６０２，６０４のストリップと、連続ｐ型ドープ炭化ケイ素ナノファイバ６０６，６０８のストリップとで作成された熱電発電機６００の概略図である。ストリップは、無作為に配列した炭化ケイ素ナノファイバのマットから切断される。炭化ケイ素ナノファイバは、そのナノスケールがフォノンを分散させ、これによってその耐熱性を強化するので熱電発電機で十分機能する。図６に示すように、ｎ型ドープ炭化ケイ素ナノファイバ６０２，６０４と、ｐ型ドープ炭化ケイ素ナノファイバ６０６，６０８とは、熱源接点６１０とヒートシンク６１２の間で交互に配置される。熱源接点は、内燃機関の排気システムなどの廃熱源に接して配置することができる。第１の終端電極６１４は、ｎ型ドープ炭化ケイ素ナノファイバの第１のストリップ６０２に接してヒートシンク６１２上に配置される。第１の結合電極６１６は、ｎ型ドープ炭化ケイ素ナノファイバ６０２の第１のストリップと、ｐ型ドープ炭化ケイ素ナノファイバ６０６の第１のストリップとに接して熱源接点６１０上に配置される。第２の結合電極６１８は、ｐ型ドープ炭化ケイ素ナノファイバ６０６の第１のストリップと、ｎ型ドープ炭化ケイ素ナノファイバ６０４の第２のストリップとに接してヒートシンク６１２上に配置される。第３の結合電極６２０は、ｎ型ドープ炭化ケイ素ナノファイバ６０４の第２のストリップと、ｐ型ドープ炭化ケイ素ナノファイバ６０８の第２のストリップとに接して熱源接点６１０上に配置される。第２の終端電極６２２は、ｐ型ドープ炭化ケイ素ナノファイバ６０８の第２のストリップに接してヒートシンク６１２上に配置される。結合電極６１６，６１８，６２０は、直列回路で炭化ケイ素ナノファイバを接続する。結合電極６１６，６１８，６２０と終端電極６１４，６２２は、熱源接点６１０とヒートシンク６１２に炭化ケイ素ナノファイバ６０２，６０４，６０６，６０８を熱的に連結する。図６に示すｎおよびｐ型ドープ炭化ケイ素ナノファイバと結合電極を繰り返すパターンを延長してより高電圧の出力を提供することができることに注意されたい。ｎおよびｐ型ドープナノファイバのストリップが図面の面に垂直に延在することで、これらは相対的に大きい面積を有し、熱電発電機６００が相対的に高い電流を生成する。結合電極６１６，６１８，６２０に接している炭化ケイ素ナノファイバ６０２，６０４，６０６，６０８の少なくとも一部は、電気的結合を強化するために金属化することができる。金属化は、炭化ケイ素ナノファイバ６０２，６０４，６０６，６０８をＣｕ，Ａｇ，Ｎｉなどの金属で電気めっきまたは無電解にめっきすることによって達成される。次にめっきした部分は、結合電極６０２，６０４，６０６，６０８に半田付けまたはろう付けすることができる。あるいは、半田付けまたはろう付けの代わりに銀で満たした接着剤またはガラスを用いてもよく、この場合にはめっきも必要ないであろう。
【００２２】
図７は、本発明の別の実施形態による熱電発電機７００の分解図である。熱電発電機７００は、Ｙ軸方向（図中に示す）に延在するｎ型ドープ炭化ケイ素ナノファイバ７０２の５つの直線的で曲がりくねった形状のストリップのセットを有する。ｎ型ドープストリップ７０２と垂直に交差して、Ｘ軸方向（図中に示す）に延在するｐ型ドープ炭化ケイ素ナノファイバ７０４の５つの直線的で曲がりくねった形状のストリップのセットが配置される。各型の５つのストリップが示されているが、実際にはそれ以上の各型が用いられる。ストリップは、その厚さが個々のナノファイバの直径を大きく超えるという点で不織マットの特徴も有しており、ファイバを分離する相対的に大容量の空間がある。ストリップ７０２，７０４は、熱源接点７０６とヒートシンク接点７０８の間に配置される（ヒートシンク接点を用いるのではなく、ヒートシンク自身を代用してもよい）。ストリップ７０２，７０４に面する熱源接点７０６の底面７１０は、ストリップ７０２，７０４に面するヒートシンク接点７０８の頂面７１２と共に図７で可視である。複数の冷却側の結合電極７１４（図面を混雑させないように一組のみ符号を付ける）はヒートシンク接点７０８の頂面７１２上に配置され、複数の加熱側の結合電極７１６は熱源接点７０６の底面７１０上に配置される。波を記載するのに用いる用語「類似性（ａｎａｌｏｇｙ）によって」を適用して、ストリップ７０２，７０４は加熱側の結合電極７１６と接触して配列された山と、冷却側の結合電極７１４と接触して配列された谷とを有していると述べることができる。加熱側の結合電極７１６は、Ｙ軸方向に延在し、隣接したｎ型ドープストリップ７０２とｐ型ドープストリップ７０４の一対の山を結合する。冷却側の結合電極７１４は、Ｘ軸方向に延在し、隣接したｎ型ドープストリップ７０２とｐ型ドープストリップ７０４の隣接した一対の谷を結合する。結合電極７１４，７１６とストリップ７０２，７０４は、ともに熱電発電機７００を通る複数の電気回路の経路を形成する。図７に示す矢印１，２，３，４は電気回路の経路の基礎部分を示しており、これはＸ方向で周期的に繰り返して熱電発電機７００を通る一つの電気経路を形成する。矢印１は、ｎ型ドープストリップ７０２からｐ型ドープストリップ７０４へ加熱側の結合電極７１６を通過する。矢印２は、ｐ型ドープストリップ７０４の山から谷へ傾斜した部分を下る。矢印３は、ｐ型ドープストリップ７０４からｎ型ドープストリップ７０２へ冷却側の結合電極７１４を通過し、矢印４は、ｎ型ドープストリップ７０２の谷から山へ傾斜した部分を上る。このパターンは、ほぼＸ方向に発電機７００を横断する際に数回繰り返される。このような発電機を通る複数の経路は、熱電発電機によって供給すべき電力負荷のインピーダンス特性に依存して、直列または並列の何れかで接続することができる。直線的で曲がりくねった構成は、熱源接点７０６からヒートシンク接点７０８への付随的な（ｐａｒａｓｉｔｉｃ）熱伝導率を制限する一方で、電流の発電容量を増加させる大きな接触面積を提供する。
【００２３】
ストリップを記載するのに上記で用いた用語「直線的で曲がりくねった」に関して言えば、この輪郭は曲がりくねった輪郭にほぼ似ているが、連続して曲がっているのではなく直線区間で構成されていることを意味する。この形状を記載する別の方法は、「台形波」と表現される。あるいは、台形波形状の代わりに、のこぎり波、三角波、または矩形波としてストリップは表現されるかもしれない。殆どの任意の周期形状は、冷却側の結合電極７１４と連続的に接触する。
【００２４】
図７に示す熱電発電機の場合には、結合電極７１４，７１６と電気的に接触させるためにこれは十分であり、ストリップの山と谷の部分に無電解に金属化または電気めっきを施して、結合電極７１４，７１６にこれらを半田付けまたはろう付けする。選択された結合電極は、終端電極として用いてもよい。
【００２５】
熱源接点７０６とヒートシンク接点７０８の利用面積を増加させるために、図７に示すストリップ７０２，７０４の２つの構成は共に入れ子にすることができる。特に図７に示すｎ型ドープストリップ７０２の間に、Ｙ軸方向に延在する付加的なｎ型ドープストリップ７０２が配置され、図７に示すｐ型ドープストリップ７０４の間に付加的なｐ型ドープストリップ７０４が配置され、図７に示すｐ型ドープストリップ７０４と同じＸ軸方向に延在して並べられる。これを考慮すると、ストリップ７０２，７０４は形状は周期的であり、付加的なストリップは２分の１波長だけ「シフトされた位相」であると言える。言い換えれば、各ドーパント型の各ストリップの谷は、同じドーパント型の隣りの山に揃えられる。頂部と底部から見たとき、得られる入れ子の構造はｎ型ドープとｐ型ドープの領域のチェッカーボードパターンを示すであろう。得られる構造の平面図および下面図は、図８および９に示される。図８および９では、右上がり斜線でクロスハッチングされた四角形が、ｎ型ドープストリップのｎ型ドープ領域を示し、右下がり斜線でクロスハッチングされた四角形がｐ型ドープストリップ７０４のｐ型ドープ領域を示す。図１０は、図８および９に示す構成の斜視図を示す。この設計は、熱電発電機の単位体積当たりの発電を増加させる。
【００２６】
図１１は、炭化ケイ素ナノファイバのｐ型ドープ１１０２とｎ型ドープ１１０４の台形波形状ストリップの代替構成を示しており、これは図６に示す熱電発電機に用いることができる。この場合には、ストリップ１１０２と１１０４が同一方向（例えば図６の頁平面）に延在する。この構成は、（ストリップの山と谷の）接点領域を増加させるという利点があり、熱電発電機の隙間の材料の断面積を低減して熱電発電機の加熱側と冷却側の付随的な熱伝導を制御する一方で電流の発生を増加させる。
【００２７】
図１２は、セラミック、例えば炭化ケイ素ナノファイバ濾過材１２０２を用いた、例えばディーゼルエンジンの粒子状自動車廃気ガスをフィルタする高温動作可能な粒子フィルタ１２００である。セラミックナノファイバ濾過材１２０２は、ガスの流通を可能にする入口１２０６と出口１２０８を含むハウジング１２０４内に配置される。
【００２８】
本発明の好適な他の実施形態が示され、記載されたが、本発明がこれに限定されないことは明らかであろう。以下のクレームによって規定される本発明の趣旨および範囲から逸脱せずに、多くの変更、代替、変形、置換、および均等物が当業者に想起されるであろう。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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