(57)【要約】【課題】  表面が不活性であるためマトリックス材と反応することがなく、複合材料の強化材等として有用な窒化ホウ素被覆ホウ酸アルミニウムナノケーブルとその製造方法を提供する。【解決手段】  Ｈ2Ｏを含んだＮ2ガス気流中で、Ｂ4Ｎ3Ｏ2Ｈ化合物を１７５０℃に、グラファイト粉末を１５００℃に、アルミナ粉末を１２５０℃に、それぞれ加熱して反応させることで、直径が５０〜１５０ナノメートル、長さが２〜３マイクロメートルのホウ酸アルミニウムが窒化ホウ素の層で被覆されている窒化ホウ素被覆ホウ酸アルミニウムナノケーブルとする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直径が５０〜１５０ナノメートル、長さが２〜３マイクロメートルのホウ酸アルミニウムが窒化ホウ素の層で被覆されていることを特徴とする窒化ホウ素被覆ホウ酸アルミニウムナノケーブル。
【請求項２】
ホウ酸アルミニウムが、主として一般式Ａｌ18Ｂ4Ｏ33で表される組成を有することを特徴とする請求項１記載の窒化ホウ素被覆ホウ酸アルミニウムナノケーブル。
【請求項３】
Ｈ2Ｏを含んだＮ2ガス気流中で、Ｂ4Ｎ3Ｏ2Ｈ化合物を１７５０℃に、グラファイト粉末を１５００℃に、アルミナ粉末を１２５０℃に、それぞれ加熱して反応させることを特徴とする窒化ホウ素被覆ホウ酸アルミニウムナノケーブルの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願の発明は、窒化ホウ素被覆ホウ酸アルミニウムナノケーブルとその製造方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、複合材料の強化材等として有用な窒化ホウ素被覆ホウ酸アルミニウムナノケーブルとその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一次元材料は、エレクトロニクス、光学および力学の分野において広く応用が可能なため、近年多くの注目を集めている。たとえば、窒化ホウ素は化学的に不活性で耐熱性に優れているため、そのナノチューブ化の検討が盛んになされている（たとえば、非特許文献１参照。）。
【０００３】
一方で、ホウ酸アルミニウムのウィスカーは、高弾性率、高強度、低熱膨張係数を有する伝統的なセラミック材料であり、従来より、アルミニウム系複合材料の強化材等として使用されている。このホウ酸アルミニウムウィスカーは、機械的性質が炭化珪素ウィスカーに匹敵し、値段が炭化珪素ウィスカーの１０分の１から２０分の１と経済的な利点もある。しかしながら、炭化珪素ウィスカーと異なり、ホウ酸アルミニウムウィスカーをアルミニウム系複合材料の強化材として用いた場合にマトリックス材と反応してしまうため、複合材料全体としての引っ張り強度が低下するという問題が指摘されている（たとえば、非特許文献２参照。）。
【非特許文献１】N.G.Chopra、外，「サイエンス（Science）」，１９９５年，２６９巻，ｐ．９６６
【非特許文献２】Z.Y.Ma、外，「ジャーナル・オブ・マテリアル・リサーチ（J.Mater.Res）」，２０００年，１５巻，ｐ．２７１４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
そこで、この出願の発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を解消し、表面が不活性であるためマトリックス材と反応することがなく、複合材料の強化材等として有用な窒化ホウ素被覆ホウ酸アルミニウムナノケーブルとその製造方法を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
そこで、この出願の発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を解消し、以下の通りの発明を提供する。
【０００６】
すなわち、まず第１には、この出願の発明は、直径が５０〜１５０ナノメートル、長さが２〜３マイクロメートルのホウ酸アルミニウムが窒化ホウ素の層で被覆されていることを特徴とする窒化ホウ素被覆ホウ酸アルミニウムナノケーブルを提供する。
【０００７】
そしてこの出願の発明は、第２に、上記の発明について、ホウ酸アルミニウムが、主として一般式Ａｌ18Ｂ4Ｏ33で表される組成を有することを特徴とする窒化ホウ素被覆ホウ酸アルミニウムナノケーブルを提供する。
【０００８】
また、この出願の発明は、第３に、Ｈ2Ｏを含んだＮ2ガス気流中で、Ｂ4Ｎ3Ｏ2Ｈ化合物を１７５０℃に、グラファイト粉末を１５００℃に、アルミナ粉末を１２５０℃に、それぞれ加熱して反応させることを特徴とする窒化ホウ素被覆ホウ酸アルミニウムナノケー
ブルの製造方法を提供する。
【０００９】
以上のとおりのこの出願の発明によって、表面が不活性であるためマトリックス材と反応することがなく、複合材料の強化材等として有用な窒化ホウ素被覆ホウ酸アルミニウムナノケーブルとその製造方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
この出願の発明は、上記の通りの特徴を持つものであるが、以下にその実施の形態について詳しく説明する。
【００１１】
この出願の発明が提供する窒化ホウ素被覆ホウ酸アルミニウムナノケーブルは、直径が５０〜１５０ナノメートル、長さが２〜３マイクロメートルのホウ酸アルミニウムが、窒化ホウ素の層で被覆されていることを特徴としている。
【００１２】
このようなコアシェル構造を有するこの出願の発明の窒化ホウ素被覆ホウ酸アルミニウムナノケーブルにおいて、コア部を構成するホウ酸アルミニウムは、欠陥が非常に少ない結晶であって、断面形状が略円形状のホウ酸アルミニウムウィスカーであるといえる。そしてその組成は、主として、一般式Ａｌ18Ｂ4Ｏ33で表すことができる。また、ホウ酸アルミニウムウィスカーの軸方向は［００１］であり、この窒化ホウ素被覆ホウ酸アルミニウムナノケーブルに高弾性率、高強度、低熱膨張係数を付与している。
【００１３】
一方、シェル部の窒化ホウ素は、２〜４ナノメートルのほぼ均一な厚さでホウ酸アルミニウムを被覆している。窒化ホウ素は化学的に不活性であることから、この被覆によって、この出願の発明の窒化ホウ素被覆ホウ酸アルミニウムナノケーブルの表面が化学的に不活性とされている。
【００１４】
したがって、この出願の発明の窒化ホウ素被覆ホウ酸アルミニウムナノケーブルは、たとえば、複合材料の強化材として用いられた場合であっても、マトリックス材と反応することがないため複合材料の引張り強度を低下させることがなく、強化材としての本来の特性を十分に発揮することができる。
【００１５】
以上のこの出願の発明の窒化ホウ素被覆ホウ酸アルミニウムナノケーブルは、たとえば、以下のこの出願の発明が提供する方法で製造することができる。
【００１６】
すなわち、この出願の発明が提供する窒化ホウ素被覆ホウ酸アルミニウムナノケーブルの製造方法は、Ｈ2Ｏを含んだＮ2ガス気流中で、Ｂ4Ｎ3Ｏ2Ｈ化合物を１７５０℃に、グラファイト粉末を１５００℃に、アルミナ粉末を１２５０℃に、それぞれ加熱して反応させることを特徴としている。
【００１７】
出発材料のＢ4Ｎ3Ｏ2Ｈ化合物としては特に制限はないが、具体的には、たとえば、Ｃｈｅｍ. Ｍａｔｅｒ., Ｖｏｌ.１３，ｐｐ２９５６，２００１に示された手法に沿って調製したものを用いることなどが好適な例として示される。
【００１８】
グラファイト粉末については、その純度および粒径等に特に制限はなく、たとえば、シグマ・アルドリッチ社製、３２５メッシュ、純度９９．９９％のグラファイトパウダー等を用いることが例示される。
【００１９】
アルミナ粉末についても、その純度および粒径等に特に制限はなく、たとえば、シグマ・アルドリッチ社製、３２５メッシュ、純度９９．９９％の溶融アルミナパウダー等を用いることが例示される。
【００２０】
以上の出発材料を、Ｈ2Ｏを含んだＮ2ガス気流中で加熱して、反応させる。出発材料の加熱温度は、Ｂ4Ｎ3Ｏ2Ｈ化合物を１７５０℃、グラファイト粉末を１５００℃、アルミナ粉末を１２５０℃とするのが好ましいが、実際的には、測定誤差範囲を含めて±５０℃程度の違いがあっても許容することができる。Ｂ4Ｎ3Ｏ2Ｈ化合物は１７５０℃に加熱されるとＢ2０3蒸気を発生し、Ｎ2によって１２５０℃のアルミナ領域へと輸送されて以下のように反応し、ウィスカー状のホウ酸アルミニウムを形成すると考えられる。
【００２１】
９Ａｌ2Ｏ3＋２Ｂ2Ｏ3  →  Ａｌ18Ｂ4Ｏ33
また同時に、いくらかのＢ2０3蒸気およびＢＮ−Ｏ蒸気が雰囲気中の他の種と反応して、ウィスカー状のホウ酸アルミニウムの表面を被覆するＢＮ層の形成に帰着すると考えられる。ＢＮ層は、次のとおりの反応により形成されると考えられる。
【００２２】
Ｂ2０3＋４Ｃ＋Ｈ2Ｏ＋Ｎ2  →  ２ＢＮ＋４ＣＯ＋Ｈ2
この出願の発明において、反応雰囲気であるＨ2Ｏを含んだＮ2ガスは、たとえば、蒸留水中に窒素ガスを吹き込むことで調製することが簡便な例として示される。しかしながら、このようにして調製したＮ2ガスはＨ2Ｏの量が多すぎるためグラファイトるつぼ等の反応容器に損傷を与える可能性があるために好ましくない。そこでＨ2Ｏを含んだＮ2ガス気流としては、たとえば、具体的には、Ｎ2ガスを１．５Ｌ／分程度流しながら、蒸留水中に窒素ガスを吹き込んだＨ2Ｏ／Ｎ2ガスを０．１〜０．６Ｌ／分程度の割合で流すようにするのが適切な例として例示される。また、このような出発材料の加熱には、たとえば、縦型高周波誘導加熱炉等を用いることができる。加熱の時間は、原料の消費時間とすることができ、これは様々な製造条件に応じて調節することができる。たとえば、あとで述べる実施例の条件においては、原料の消費時間として２時間程度をおおよその目安として例示することができる。
【００２３】
これによって、ウィスカー状のホウ酸アルミニウムが均一な厚さの窒化ホウ素で被覆された窒化ホウ素被覆ホウ酸アルミニウムナノケーブルが製造される。
【００２４】
以下、添付した図面に沿って実施例を示し、この発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
【実施例】
【００２５】
グラファイトるつぼにＢ4Ｎ3Ｏ2Ｈ化合物を入れ、高周波誘導加熱炉内のグラファイト製のサセプターに取り付けた。このグラファイトるつぼの上方に、シグマ・アルドリッチ社製のアルミナ粉末を載せたグラファイト円板を、下方に、シグマ・アルドリッチ社製のグラファイト粉末を入れたグラファイト製るつぼを置いた。炉の上部から窒素ガスを１．５リットル／分の流速で、炉の下部から蒸留水に窒素ガスを吹き込んだ気流を０．３リットル／分の流速でそれぞれ通じながら、Ｂ4Ｎ3Ｏ2Ｈ化合物を１７５０℃に、グラファイト粉末を1５００℃に、アルミナ粉末を１２５０℃にそれぞれ加熱した。加熱を２時間続けた後、高周波誘導加熱炉を室温に冷却した。なお、Ｂ4Ｎ3Ｏ2Ｈ化合物は、Ｃｈｅｍ. Ｍａｔｅｒ., Ｖｏｌ.１３，ｐｐ２９５６，２００１に則して合成したものを用いた。
【００２６】
図１に、グラファイト円板上に得られた生成物を透過型電子顕微鏡で観察した結果を示した。図１から生成物は、長さが２〜３マイクロメートル、直径が５０〜１５０ナノメートルの繊維状構造物が多数集まっているものであることが分かった。
【００２７】
図２に生成物の高分解能透過型電子顕微鏡像を示した。繊維状構造物の外側表面には均一な厚さの層が存在しており、内部は広範囲にわたりほぼ完全で微細な縞模様を形成している。このことから、この生成物はコアシェル構造を有するナノケーブルであることがわ
かった。なお、さらに高倍率で観察したところ、コア部は面間隔ｄ001＝５．６Å，ｄ120＝５．４Åの結晶格子からなっており、これはホウ酸アルミニウムの結晶格子に一致するものであった。
【００２８】
図３にシェル部の電子エネルギー損失スペクトルを示した。ＢとＮのＫ端に帰属されるピークが１８８ｅＶと４０１ｅＶに現れており、Ｂ／Ｎ比がほぼ１であることから、シェル部は化学量論組成の窒化ホウ素からなることが分かった。
【００２９】
図４に、コア部のＸ線エネルギー拡散スペクトルと電子エネルギー損失スペクトルを示した。Ｘ線エネルギー拡散スペクトルから、酸素（Ｏ），アルミニウム（Ａｌ），ホウ素（Ｂ）のピークが観察され、電子エネルギー損失スペクトルからはアルミニウム（Ａｌ）とホウ素（Ｂ）の強いピークが観察された。さらに［２１０］領域からの選択エリア電子線回析を調べた結果、格子定数ａ＝〜７．７Å，ｂ＝１５．０Å，ｃ＝５．６Åを有する斜方晶系のＡｌ18Ｂ4Ｏ33の組成を有するホウ酸アルミニウムであることが確認された。また、コア部のＡｌ18Ｂ4Ｏ33の経度端が格子平面（１２０）と平行で、格子平面（００１）に垂直であることから、Ａｌ18Ｂ4Ｏ33コア部のの軸方向は［００１］に沿っていることがわかった。
【００３０】
以上のことから、表面が非常に滑らかなウィスカー状のＡｌ18Ｂ4Ｏ33が、均一な厚さのＢＮで被覆されている、窒化ホウ素被覆ホウ酸アルミニウムナノケーブルが得られたことが確認できた。
【００３１】
もちろん、この発明は以上の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
以上詳しく説明した通り、この出願の発明によって、表面が不活性であるためマトリックス材と反応することがなく、複合材料の強化材等として有用な窒化ホウ素被覆ホウ酸アルミニウムナノケーブルとその製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】この出願の発明の窒化ホウ素被覆ホウ酸アルミニウムナノケーブルの透過型電子顕微鏡像を例示した図である。
【図２】この出願の発明の窒化ホウ素被覆ホウ酸アルミニウムナノケーブルの高分解能透過型電子顕微鏡像を例示した図である。
【図３】この出願の発明の窒化ホウ素被覆ホウ酸アルミニウムナノケーブルのシェル部の電子エネルギー損失スペクトルを例示した図である。
【図４】この出願の発明の窒化ホウ素被覆ホウ酸アルミニウムナノケーブルのコア部のX線エネルギー拡散スペクトルと、電子エネルギー損失スペクトルを例示した図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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