(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内径３ｍｍ且つ外径５ｍｍ程度の石英管中に、複数のカーボンナノチューブファイバーを真空封入し、該カーボンナノチューブファイバーが白熱軟化する900℃〜1300℃の温度となるように前記石英管を外部加熱して、前記カーボンナノチューブファイバーを軟化させる工程と、
当該軟化中に、カーボンナノチューブファイバーを前記石英管の外径が0.1mm以下となるまで前記石英管と共に牽伸する工程と、
これを室温まで急冷して、カーボンナノチューブファイバー束を含み、可撓性を持つ石英−クラッド・カーボンナノチューブファイバー束を製造する工程と、
より成る製造工程によって製造されることを特徴とする石英−クラッド・カーボンナノチューブファイバー束。
【請求項２】
前記石英−クラッド・カーボンナノチューブファイバー束は、アームチェアー型、ジグザク型、又はカイラル型のいずれかからなることを特徴とする請求項１に記載の石英−クラッド・カーボンナノチューブファイバー束。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は石英管中に収納したカーボンナノチューブ束を加熱し、カーボンナノチューブを 石英管と共に軟化しながら牽引して一体の線状体に延伸する石英−クラッド・カーボンナノチューブファイバー束に係る。
【背景技術】
【０００２】
従来カーボンナノチューブについては、カーボンナノチューブの弾性常数の測定やその引っ張り強度の弾性限界に関する研究はトンネル顕微鏡の測定法を応用したものが、現在までに可なり報告されるようになってきている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、チューブが張力によって切断されるときの臨界張力を測定した例は、まだ報告がない。従来の研究では、カーボンナノチューブを窒素気流中で石英管に入れ、加熱過程で瞬間的に細く引き延ばしたものを試料とし臨界張力の測定に用いる方法を試みた。また、この方法によって出来た試料の微細構造を倍率500倍の金属顕微鏡で観察し、拡大像をＣＣＤカメラに記録し、その微細構造の不完全性と臨界張力との関係を調べたことがある。
然しながら、この実験はカーボンナノチューブの加熱延伸による臨界張力の測定実験だけである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明者は上記カーボンナノチューブの実験により、更に張力の大きな線状体を得る目的で石英管中にカーボンナノチューブ束を真空封入し、その外部を加熱しながら、石英管により被覆されたカーボンナノチューブを牽伸して製造された、一体化した線状体の石英−クラッド・カーボンナノチューブファイバー束にある。
すなわち、本発明は、内径３ｍｍ且つ外径５ｍｍ程度の石英管中に、複数のカーボンナノチューブファイバーを真空封入し、該カーボンナノチューブファイバーが白熱軟化する900℃〜1300℃の温度となるように前記石英管を外部加熱して、前記カーボンナノチューブファイバーを軟化させる工程と、
当該軟化中に、カーボンナノチューブファイバーを前記石英管の外径が0.1mm以下となるまで前記石英管と共に牽伸する工程と、
これを室温まで急冷して、カーボンナノチューブファイバー束を含み、可撓性を持つ石英−クラッド・カーボンナノチューブファイバー束を製造する工程と、
より成る製造工程を経て得られる石英−クラッド・カーボンナノチューブファイバー束を提供する。
本発明者は石英−クラッド・カーボンナノチューブを製造する新規で、簡便な方法を開発したものである。
本発明においては、上記の石英−クラッド・カーボンナノチューブは900℃まで耐熱性体であり、これを石英管で被覆し、その石英被覆体で周囲雰囲気と反応しないよう化学的に安定であるようにしたものである。
【発明の効果】
【０００５】
ＣＣＤカメラで観察した石英管中のファイバーは、10分の２〜３ミクロンの線幅の管束より出来ており、これは約100乃至数千ナノチューブ束の太さに対応する。予備的な測定によれば、臨界張力は３ton重/mm2乃至40ton重/mm2程度であった。この大きな臨界値の変動は、チューブの構造欠陥およびチューブとチューブとの間のチューブ軸方向の摩擦が、表面の化学処理によって大きく変動することによるものと思われる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本発明の石英−クラッド・カーボンナノチューブ束の破断臨界張力を測定する原理を示す説明図である。
【図２】本発明の石英−クラッド・カーボンナノチューブ束の試料について高干渉波長選択形フィルター内蔵の高分解能ラマン分光器を使用して試料のスペクトルを記録する測定原理を示す図である。
【図３】石英管中にカーボンナノチューブ束の裁断片を真空封入し外部加熱して両側より急冷延伸し石英−クラッド・カーボンナノチューブ束を製造する場合の原理図である。
【図４】（ａ）（ｂ）（ｃ）は本発明の実験に使用したカーボンナノチューブの一例をアームチェアー型（ａ）、ジグザク型（ｂ）、カイラル型（螺旋状）型（ｃ）に分けて例示したナノチューブの分子構造の模式図である。
【図５】横軸の荷重に対して、縦軸にとった石英管の直径から得た石英クラッドカーボンナノチューブ束の臨界張力(ton/mm2)を顕微鏡により測定したカーボンナノチューブの直径を100nmと見積もった場合の結果を示す図である。
【図６】本発明の石英−クラッド・カーボンナノチューブについてラーマン散乱スペクトルで見た強度を示す図である。
【図７】本発明の石英−クラッド・カーボンナノチューブについてラーマン散乱スペクトルで見た強度を示す図である。
【図８】本発明の石英−クラッド・カーボンナノチューブについて測定スペクトル強度を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
（実施例）
この線状体を製造するには、カーボンナノチューブの原素材を内径３mm、外径５mmの石英管に真空封入して、石英管中のカーボンナノチューブをカーボンが軟化する900〜1300℃、特に1200℃まで加熱する。試料の温度を測定しながら、石英管を速やかに延伸し、石英管の外径が0.1mm以下となるよう室温まで急冷する。コンピュータ制御のＣＣＤカメラによる顕微鏡で光学的顕微鏡観察すると、カーボンナノチューブ束はその断面が50〜70nmまで薄くなったことが認められた。このカーボンナノチューブ束はラーマンスペクトル測定法で分析した。そのスペクトルは1580cm-1の周波数に近くブリージングモードのＬ−Ｔスプリットを示し、グラフィンシートスクロール（巻きもの）構造の存在を示した。
【０００８】
本発明者はナノチューブ束の破断臨界張力を測定するために石英管でカーボンナノチューブを被覆し延伸した線状体１を天井２に懸垂し、図１に示すように釣り支点３Ａ，３Ｂを介して小さなバケット４を懸垂し水槽５の水をコック６により調節しながら水をバケット４に放出し、上記の石英管クラッドカーボンナノチューブの線状体１が破断する時の破断張力を測定した。
【０００９】
図１の（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、石英−クラッド・カーボンナノチューブの牽伸破断後の状態を示すもので、図１の（Ａ）の場合は石英管よりカーボンナノチューブが突出した状態を示し、破断張力の測定不可の状態を示す。図１の（Ｂ）の場合は石英管と内部のカーボンナノチューブが一体となりほぼ同じ断面で破断するような測定可の状態を示す。図１の（Ｃ）の場合は外側の石英管の延伸が先であり内部のカーボンナノチューブと一体牽伸されていない状態を示すものでこれも破断張力の測定不可の状態を示す。
【００１０】
図１の破断試験において、石英管とカーボンナノチューブ束は破断臨界張力のかかった時点でどちらが早く破断されるかは確答できない。然しながら石英−クラッド・カーボンナノチューブの断面を顕微鏡で見ると、その破断は石英管と内部のカーボンナノチューブとが同時に破断したことを示した。
石英−クラッド・カーボンナノチューブの断面とその鞘となる石英管の断面との相対比より破断限界張力は104kg重/mm2のオーダーとなり、その価は極めて高い値であった。
【００１１】
図２は本発明の試料となるカーボンナノチューブ束の高干渉波長選択フィルター内蔵の高分解能ラマン分光器を使用した試験装置の一例を示したもので、石英−クラッド・カーボンナノチューブ束６を入射レーザー光７で照射し、散乱光８を光学レンズ９により収斂し、これを高干渉波長選択形フィルター内蔵の高分解能ラマン分光器10で受け、その分光出力をＣＣＤ検出器11で検出し、この出力を制御電源12を介してスペクトル記録計13によりディスプレイするもので、単層ナノチューブのときがスペクトル記録計13に表示される。14は通常のグラファイトの場合のディスプレイを示す。
【００１２】
図３は石英管15中にカーボンナノチューブ16を真空封入し（図３の（Ａ））、ガスバーナー17により外部加熱しながら、石英管の両端19,19を牽伸し（図３の（Ｂ））、石英−クラッド・カーボンナノチューブを製作する状態を示す（図３の（Ｃ））。18は牽伸した石英−クラッド・カーボンナノチューブの断面を示す。
図４は実験に使用した単層カーボンナノチューブの分子構造数例を示す模式的図面である。
【００１３】
〔実験例〕
試料は、予めカーボンファイバーを出来るだけ機械的に細分化したもの（直径約0.1mm）に表面処理を弗酸で行い、これを内径0.3mm程度の石英管の中に挿入して窒素気流中に置く。外部から石英管15を酸素ガス17で加熱し、カーボンナノチューブファイバー16が白熱軟化する程度まで高温になったときに、素早くカーボンナノチューブを石英管共々引き延ばす。この操作によって、カーボンナノファイバーを石英管で被覆して１体に延伸された線状体ができる。これによりカーボンナノチューブファイバーの太さを約10ミクロン程度に細めることができる。ファイバーの微細構造を金属顕微鏡で観察しその微細構造をＣＣＤカメラで撮影して解析した。次に同じような石英微細管をカーボンファイバー無しで作製する。以上２種類の管についてそれらの両端に付けた釣り端子に金属細線を接着させ(図１，３Ａおよび３Ｂ)、両端から細線に加えた張力でファイバーが切断するまで、張力を増加させ切断するときの張力を計る。
図７に示すものは図６の試料にくらべ構造欠陥が多くＬ−Ｔ分裂が不明瞭である。図８に示すものは焼鈍効果によりＬ−Ｔ分裂が著しく不明瞭となっている。
【００１４】
張力を計るには、図１に示すように細線化した石英−クラッド・カーボンナノチューブよりなる試料管１の一端を天井２に固定し、石英細管接着用の端子３Ａおよび３Ｂを介して垂直に垂らした試料管１にバケット４を懸吊する。他端３Ｂにはバケット４を吊し、バケット４に水槽５よりパルブ６を調整しながら水を徐々に注入する。試料が切断したときの注入水量から断面積で規準化した臨界張力を求める。石英管＋カーボンナノチューブについての臨界張力から、別に測定した石英管のみの臨界張力を引き去りその差を本発明石英被覆カーボンナノチューブの臨界張力と見なした。
【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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