(57)【要約】少なくとも一つのナノチューブ材料から構成されるナノチューブ充填剤とナノ結晶性セラミック酸化物から構成されるセラミック母体とから、機械的特性の向上したセラミック母体ナノ複合体が作りあげられる。また、改良された破損耐性を有するセラミック製品を製造する方法が提供される。この方法はナノチューブ材料から作られたナノチューブ充填剤とナノ結晶性セラミック酸化物から作られたセラミック母体を混合する工程、それから物品を形成する工程、及び該物品を高温高圧下で焼結する工程を含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノチューブ充填剤とセラミック母体を含むセラミック母体ナノ複合体であって、該ナノチューブ充填剤が少なくとも一つのナノチューブ材料を含むものであり、且つ該セラミック母体がナノ結晶性セラミック酸化物を含むものであるナノ複合体。
【請求項２】
該ナノチューブ材料が炭素ナノチューブ材料である、請求項１記載のセラミック母体ナノ複合体。
【請求項３】
該炭素ナノチューブ材料が複層壁（ｍｕｌｔｉ−ｗａｌｌｅｄ） 炭素ナノチューブ材料である、請求項２記載のセラミック母体ナノ複合体。
【請求項４】
該ナノチューブ材料が単層壁 （ｓｉｎｇｌｅ−ｗａｌｌｅｄ）炭素ナノチューブ材料である、請求項２記載のセラミック母体ナノ複合体。
【請求項５】
該ナノチューブ材料が表面修飾された炭素ナノチューブ材料である、請求項２記載のセラミック母体ナノ複合体。
【請求項６】
該ナノ結晶性セラミック材料がナノ結晶性セラミック金属酸化物である、請求項１記載のセラミック母体ナノ複合体。
【請求項７】
該ナノ結晶性セラミック金属酸化物がアルミニウム、チタン、ジルコニウム、マグネシウム、イットリウム、及びセリウムのナノ結晶性セラミック金属酸化物からなる群より選択されるものである、請求項６記載のセラミック母体ナノ複合体。
【請求項８】
該ナノ結晶性セラミック金属酸化物がアルミニウム、チタン及びジルコニウムのナノ結晶性セラミック金属酸化物からなる群より選択されるものである、請求項６記載のセラミック母体ナノ複合体。
【請求項９】
該ナノ結晶性セラミック金属酸化物がアルミナである、請求項１記載のセラミック母体ナノ複合体。
【請求項１０】
少なくとも一つのナノチューブ材料を含むナノチューブ充填剤の約 ０．５から ５０ 容量部、及び
少なくとも一つのナノ結晶性セラミック酸化物を含むセラミック母体の約 ５０ から ９９．５ 容量部、
を含む、請求項１記載のセラミック母体ナノ複合体。
【請求項１１】
少なくとも一つのナノチューブ材料を含むナノチューブ充填剤の約１から２０容量部、及び
少なくとも一つのナノ結晶性セラミック酸化物を含むセラミック母体の約 ８０ から９９容量部、
を含む、請求項１記載のセラミック母体ナノ複合体。
【請求項１２】
少なくとも一つのナノチューブ材料を含むナノチューブ充填剤と少なくとも一つのナノ結晶性セラミック酸化物を含むセラミック母体を混合する工程、
それから物品を成形する工程、及び
該物品を高温高圧下で焼結する工程、
を含む、改良された破損耐性を有するセラミック物品を製造する方法。
【請求項１３】
該ナノチューブ材料が炭素ナノチューブ材料である、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
該炭素ナノチューブ材料が複層壁炭素ナノチューブ材料である、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
該ナノチューブ材料が単層壁炭素ナノチューブ材料である、請求項１３記載の方法。
【請求項１６】
該ナノチューブ材料が表面修飾された炭素ナノチューブ材料である、請求項１３記載の方法。
【請求項１７】
該ナノ結晶性セラミック材料がナノ結晶性セラミック金属酸化物である、請求項１２記載の方法。
【請求項１８】
該ナノ結晶性セラミック金属酸化物がアルミニウム、チタン、ジルコニウム、マグネシウム、イットリウム、及びセリウムのナノ結晶性セラミック金属酸化物からなる群より選択されるものである、請求項１２記載の方法。
【請求項１９】
該ナノ結晶性セラミック金属がアルミナである、請求項１２記載の方法。
【請求項２０】
請求項１に記載のセラミック母体ナノ複合体をふくむセラミック物品。
【請求項２１】
該物品が摩耗性表面を含むものである、請求項２０記載のセラミック物品。
【請求項２２】
該物品が軸受け表面を含むものである、請求項２０記載のセラミック物品。
【請求項２３】
該物品が切削工具を含むものである、請求項２０記載のセラミック物品。
【請求項２４】
該物品が構造的セラミック物品を含むものである、請求項２０記載のセラミック物品。
【請求項２５】
少なくとも一つのナノチューブ材料を含むナノチューブ充填剤、及び
該ナノチューブ充填剤が炭素ナノチューブ材料である場合、ナノ結晶性セラミック材料は炭化珪素ではないことを条件として、該ナノ結晶性セラミック材料を含むセラミック母体、
を含むセラミック母体ナノ複合体。
【請求項２６】
該ナノ結晶性セラミック材料が、酸化物、炭化物（ｃａｒｂｉｄｅｓ） 、窒化物、オキシ炭化物 （ｏｘｙｃａｒｂｉｄｅｓ）、オキシ窒化物 （ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅｓ）、カーボ窒化物 （ｃａｒｂｏｎｉｔｒｉｄｅｓ）、オキシカーボ窒化物 （ｏｘｙｃａｒｂｏｎｉｔｒｉｄｅｓ） 、炭酸塩、リン酸塩、及びこれらの混合物からなる群より選択されるものである、請求項２５記載のセラミック母体ナノ複合体。
【請求項２７】
該ナノ結晶性セラミック材料が、金属酸化物、金属炭化物、金属窒化物、金属オキシ炭化物、金属オキシ窒化物、金属カーボ窒化物、金属炭酸塩、金属リン酸塩、及びこれらの混合物からなる群より選択されるものである、請求項２５記載のセラミック母体ナノ複合体。
【請求項２８】
少なくとも一つのナノチューブ材料を含むナノチューブ充填剤の約 ０．５から ５０ 容量部、及び
少なくとも一つのナノ結晶性セラミック材料の約 ５０ から ９９．５ 容量部、を含む、請求項２５記載のセラミック母体ナノ複合体。
【請求項２９】
少なくとも一つのナノチューブ材料を含むナノチューブ充填剤の約１から２０容量部、及び
少なくとも一つのナノ結晶性セラミック材料の約 ８０ から ９９ 容量部、
を含む、請求項２５記載のセラミック母体ナノ複合体。
【請求項３０】
複層壁炭素ナノチューブ材料の約１から ２０ 容量部、及び
ナノ相アルミナの約 ８０ から ９９ 容量部、
を含むセラミック母体ナノ複合体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の分野
本発明は、ナノチューブ材料を含むセラミック母体のナノ複合体に関する。
【０００２】
発明の背景
セラミックスは周囲温度及び高温の両方で、強度、硬度、軽量及び表皮剥離、腐食及び浸食への耐性を必要とする適用において使用されている。高温適用の例としては、自動車のエンジンやガスタービンなどの加熱エンジンの構造部分、工具や金型とりわけチップ製造に使用される熱耐性合金のための切断工具、及び摩耗表面及び／又は摩擦表面などが挙げられる。しかしながら、従来のセラミック材料は壊れ易い特性があり、この壊れ易さがその使用を制限している。壊れ易さのかなりの低減が繊維強化セラミック母体複合体で得られた。これらの複合体の実例は切断用具として使用されたホイスカー強化セラミック炭化物である。それにもかかわらず、セラミックの望まれる特性を改良された破損耐性と結合した材料に対する需要は依然として存在し続ける。
【０００３】
発明の概要
ナノチューブ充填物及びナノ結晶性セラミック材料を含むセラミックナノ複合体が一体となっているセラミック材料に優る改良された破損耐性を示すということが意外にも発見された。特に、炭素ナノチューブはナノ結晶性セラミック酸化物母体における充填剤として驚くべき安定性を示し、そして最終複合体材料の破損耐性における顕著な改良を生ずる。
【０００４】
一つの側面では、本発明は少なくとも一つのナノチューブ材料を含むナノチューブ充填剤とナノ結晶性セラミック酸化物を含むセラミック母体を含むセラミック母体ナノ複合体に関する。ナノチューブ材料は炭素ナノチューブ材料、特に単層壁の、複層壁の、又は表面が修飾された炭素ナノチューブ材料でありうる。ナノ結晶性セラミック材料はセラミック金属酸化物であってもよい。セラミック金属酸化物の金属はアルミニウム、チタン、ジルコニウム、マグネシウム、イットリウム、又はセリウムでありうる。とりわけ、該金属はアルミニウム、チタン又はジルコニウムでありうる。特に、金属酸化物はアルミナでありうる。ナノ複合体中のナノチューブ充填剤の量は約 ０．５から５０容量部であり、セラミック母体の量は約 ５０ から９９．５容量部である。とりわけ、ナノチューブ充填剤の量は１から２０容量部であり、セラミック母体の量は約 ８０ から９９容量部でありうる。
【０００５】
別の一側面では、本発明は改良された破損耐性を有するセラミック製品を製造する方法に関する。この方法はナノチューブ材料を含むナノチューブ充填剤と少なくとも一つのナノ結晶性セラミック酸化物を含むセラミック母体とを混合する工程、それから物品を形成させる工程、そして高温高圧下で該物品を焼結させる工程を含む。該ナノ材料は炭素ナノチューブ材料、とりわけ単層壁の、複層壁の、又は表面が修飾された炭素ナノチューブ材料でありうる。このナノ結晶性セラミック材料はセラミック金属酸化物でありうる。このセラミック金属酸化物の金属はアルミニウム、チタン、ジルコニウム、マグネシウム、イットリウム、又はセリウムでありうる。とりわけ、該金属はアルミニウム、チタン又はジルコニウムでありうる。特に、該金属酸化物はアルミナでありうる。ナノ複合体におけるナノチューブ充填剤の量は約 ０．５から５０容量部であり、セラミック母体の量は約 ５０ から９９．５容量部である。とりわけ、ナノチューブ充填剤の量は１から２０容量部であり、セラミック母体の量は約 ８０ から９９容量部でありうる。
【０００６】
さらに別の一側面では、本発明は上記のセラミック母体ナノ複合体を含むセラミック製品に関する。この製品は摩耗性表面、軸受け表面、切削工具、又は構造的セラミック製品でありうる。
【０００７】
さらに別の一側面では、本発明は少なくとも一つのナノチューブ材料を含むナノチューブ充填剤及びナノ結晶性セラミック材料を含むセラミック母体を含むセラミック母体ナノ複合体に関する。ナノチューブ充填剤が炭素ナノチューブ材料である場合、該ナノ結晶性セラミック材料は炭化珪素であってはならない。該ナノ結晶性セラミック材料は、酸化物、炭化物（ｃａｒｂｉｄｅｓ） 、窒化物、オキシ炭化物 （ｏｘｙｃａｒｂｉｄｅｓ）、オキシ窒化物 （ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅｓ）、カーボ窒化物 （ｃａｒｂｏｎｉｔｒｉｄｅｓ）、オキシカーボ窒化物 （ｏｘｙｃａｒｂｏｎｉｔｒｉｄｅｓ） 、炭酸塩、リン酸塩又はこれらの混合物でありうる。特に、ナノ結晶性セラミック材料は金属酸化物、金属炭化物、金属窒化物、金属オキシ炭化物、金属オキシ窒化物、金属カーボ窒化物又はこれらの混合物でありうる。セラミック母体ナノ複合体におけるナノチューブ充填剤の量は約 ０．５から５０容量部であり、ナノ結晶性セラミック材料の量は約５０から９９．５容量部である。特に、ナノチューブ充填剤の量は１から２０容量部でありうるし、ナノ結晶性セラミック材料の量は約８０から９９容量部でありうる。とりわけ、該セラミック母体ナノ複合体は複層壁炭素ナノチューブ材料の約１から２０容量部、そしてナノ相アルミナの約８０から９９容量部を含んでもよい。
【０００８】
発明の詳細な説明
上に一般的に記載したように、本発明は改良された機械的特性、とりわけ破損耐性の増強を示すセラミック母体ナノ複合体に関し、そしてこれらのナノ複合体を使用する、このような改良を示す製品の製造に関する。
【０００９】
ナノ複合体はナノ材料である少なくとも一つの原料から調製された複合体である。「ナノ材料」とは、本明細書では、１と１００ ナノメータの間の平均粒子サイズ又は粒状物サイズを有する材料、又は１と１００ ナノメータの間の長さ又は直径などの少なくとも一つの次元を有する材料と定義される。複合体材料は通常母体又は連続相と強化相又は不連続相を含む。ある場合には、二つ以上の相が二連続（ｂｉｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ）又は多連続（ｍｕｌｔｉｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ）であってもよい。強化相が、本明細書では「充填剤」と呼ばれるが、通常母体相混合され、従って母体相の中に分配され、これらの二つの相は通常複合体材料を形成させるため加熱される。ある場合には、ナノ複合体材料は加熱処理ではなく冷圧により形成されることがある。本明細書のセラミック母体ナノ複合体はナノチューブ充填剤及びセラミック母体を含む。該ナノ複合体の両成分は、少なくとも初めはナノ材料である。該母体はその後の加熱処理により劣化することもありうる。
【００１０】
本明細書で用いられるとき用語「ナノチューブ」とは、円筒状の又は管状の構造を有する粒状のナノ材料を意味する。用語「ナノワイヤー」も同じ又は類似の材料を指すために用いられる。本発明に有用なナノチューブ充填剤は炭素ナノチューブ、単層壁ナノチューブ（ＳＷＮＴ）及び複層壁ナノチューブ（ＭＷＮＴ）の両方、及び無機ナノチューブなどのナノチューブ材料を含む。該無機ナノチューブは窒化ホウ素、窒化珪素、炭化珪素、例えばＷＳ２ などのジチャルコゲナイド（ｄｉｃｈａｌｃｏｇｅｎｉｄｅｓ）、ＭｏＯ３ などの酸化物、及び組成Ｂｘ Ｃｙ Ｎｚ を有する物質、ここでｘ、ｙ、ｚは独立に０から４であり、例えばＢＣ２ Ｎ２ 及びＢＣ４ Ｎ、を含むある範囲の材料から調製された。該ナノチューブ材料はこれらのナノ材料の混合物を含んでもよい。該ナノチューブの粒子の平均直径は約１〜１００ ｎｍである。例えば、ＳＷＮＴは通常１〜２ｎｍの平均直径を有し、ＭＷＮＴの平均直径は通常約２〜３０ｎｍである。ナノチューブは極めて高い形状比、即ち直径に対する長さの比、を有し、通常２５〜１，０００，０００ の範囲にある。本明細書で引用する数値は、任意のより低い方の数値と任意のより高い方の数値の間で少なくとも２単位の開きがあるならば、１単位ずつの増加でより低い方の数値からより高い方の数値までの全ての数値を含むことに注意すべきである。１例として、例えば、温度、圧力又は時間などのプロセス変数の成分の量又は数値が例えば１から９０、好ましくは２０から８０、より好ましくは３０から７０と記載された場合は、１５から８５、２２から６８、４３から５１、３０から３２などの数値が本明細書で明示的に列挙されていることが意図される。１ より小さな数値については、１単位は ０．０００１ 、０．００１ 、０．０１又は０．１ であると適宜解釈される。これらは具体的に意図されているものの例に過ぎず、列挙された最低の数値と最高の数値の間の数値の全ての可能な組み合わせが同様に本明細書に明示的に記載されていると解釈すべきである。
【００１１】
炭素ナノチューブは通常アーク法により調製される。炭素ナノチューブを合成するためのこの方法及び他の方法はＰ．Ｍ．アジャヤンとＴ．Ｗ．エベセンにより、「ナノメータ−サイズの炭素の管」Ｒｅｐ． Ｐｒｏｇ． Ｐｈｙｓ．， ６０， １０２５−１０６２ （１９９７）に総説されている。無機ナノチューブは同様な方法を用いて合成しうる。
【００１２】
炭素ナノチューブ又は炭素ナノチューブ粒子の表面は本明細書のナノ複合体に組み込む前に修飾することもできる。例えば、酸化的環境下で高温で炭素ナノチューブ材料を加熱すると、通常該粒子の表面に化学変化が生ずるが、炭素ナノチューブが本明細書のナノ複合体中でナノ結晶性セラミック酸化物の充填剤として使用されると、予想外にも、これが起こらないように見える。特に、６４０ ℃の空気中で加熱すると、該粒子表面でカルボキシル基及びカルボニル基の形成が結果として起こる。炭素ナノチューブ粒子の表面を修飾するための別の既知の方法は金属イオンでのインサイチュ蒸気相被覆であり、この目的にはＶ２ Ｏ５ が用いられた。該粒子の表面に欠陥を導入することも知られている。これらの方法はＰ．Ｍ．アジャヤンら（「酸化物ナノ複合体及びナノ構造物の除去可能な鋳型としての炭素ナノチューブ」， Ｎａｔｕｒｅ ３７５， ５６４ （１９９５）） により記載されている。炭素ナノチューブ粒子の表面を修飾する他の方法も使用しうる。
【００１３】
該セラミック材料の一体型に優る強靱性の増強を示す本発明のセラミック母体ナノ複合体を製造するための原料として有用であることが見出されたナノ結晶性セラミック材料、又はナノ相セラミック粉末は、ナノ結晶性セラミック酸化物、窒化物、炭化物、カーボ窒化物、オキシ窒化物及びオキシカーボ窒化物、及びこれらの混合物を含む。炭素ナノチューブがナノチューブ充填剤として用いられる場合、セラミック母体材料は珪素炭化物であってはならない。とりわけ、ナノ結晶性セラミック材料はナノ結晶性セラミック酸化物でありうる、特に金属酸化物でありうる。セラミック金属酸化物の例としては、マグネシウム酸化物、イットリウム酸化物、セリウム酸化物、アルミナ、チタニア、及びジルコニアが挙げられる。他の好ましいナノ結晶性セラミック材料は金属窒化物、金属炭化物、金属カーボ窒化物、金属オキシ窒化物、金属オキシカーボ窒化物、又はこれらの混合物である。これらのナノ結晶性セラミック化合物の金属はアルミニウム、チタン、ジルコニウム、マグネシウム、イットリウム、又はセリウムでありうる。とりわけ、該金属はアルミニウム又はチタンでありうる。特に有用なナノ結晶性セラミック材料はアルミナである。ナノ結晶性セラミックの酸化物、窒化物、炭化物、カーボ窒化物、オキシ窒化物及びオキシカーボ窒化物として有用な非金属は、カルシウム、珪素及びゲルマニウムを含むが、とりわけ珪素である。非金属ナノ結晶性セラミック材料の例は、珪素炭化物及び珪素窒化物である。ナノ結晶性セラミックの酸化物、窒化物、炭化物、カーボ窒化物、オキシ窒化物及びオキシカーボ窒化物として有用な半金属はビスマス及びベリリウムである。非金属ナノ結晶性セラミック酸化物の例はビスマス酸化物及びベリリウム酸化物である。ＳｉＡｌＯＮ、カルシウムアルミネート、ムライト（Ａｌ２ Ｏ３ ・ＳｉＯ２ ）及びスピネル（ＭｇＯ・Ａｌ２ Ｏ３ ）などの混合化合物も使用しうる。ヒドロキシアパタイトなどのセラミックカーボネート及びセラミックホスフェートも有用である。
【００１４】
ナノ相セラミック母体原料の粒状物の大きさは通常約１から １００ｎｍである。粒状物の大きさは約１０から５０ｎｍの範囲であることが好ましい。粒状物の大きさは処理の間、特に加熱の結果として増加しうる。故に、得られるセラミック母体の粒状物の大きさは １００ｎｍよりも大きくなる。これらの材料は本発明の文脈ではナノ複合体と考えられる。原料がナノ材料であるからである。
【００１５】
本発明に従って、該セラミック母体ナノ複合体は、セラミック粉末又はセラミック粒子とナノチューブ充填剤との混合物又はブレンドを形成させ、ナノチューブ充填剤を該混合物中に分散させ、通常均一に分散させることにより調製される。ナノチューブ充填剤の量は約 ０．５から５０容量部、とりわけ約１から２０容量部までの範囲にありうる一方、該ナノ結晶性セラミック材料は約５０から９９．５容量部まで、とりわけ約８０から９９容量部までの範囲にありうる。ナノチューブ充填剤のナノ結晶性セラミック材料との混合は該セラミック母体粉末中に該充填剤を分散させる任意の適当な混合方法により行なうことができる。通常、凝集のほとんどない均一な分散が得られる。例えば、適当な混合物は、これらの成分を個々に又は混合物として混合媒体中で超音波プローブを用いて混合して分散させ、該成分が個々に分散される場合はこれらの分散液を混合し、そして該溶媒を超音波浴中で蒸発させることにより形成される。乾燥混合又は揮発性媒体を用いる混合は満足に利用される。該混合走査を行なう際、該混合物は適当な物品の構造となるように成形され、ついで該材料の実質的に最大密度に達するように熱圧されうる。望まれる場合は、熱圧ではなく冷圧も使用しうる。超気圧における高温平衡加圧、又は高圧下での焼結は高温で行なわれる。熱圧又は焼結のための温度は該セラミック母体材料の融点に依存し、通常約 ４００℃を超え、とりわけ ８００℃を超える。例えば、アルミナ／ＭＷＮＴナノ複合体は約 １，３００℃で熱圧することにより焼結される。
【００１６】
本発明のセラミック母体ナノ複合体は、優れた硬度、強度及び破損耐性を要求する多数の用途で有用である。セラミック母体ナノ複合体から構成されたセラミック粒子は摩耗性表面、軸受け表面、切削工具又は義肢などの負荷保持構造部品として用いうる。セラミック切削工具は米国特許第５，４４９，６４７ 号及び同第５，９８０，９８８ 号に記載されている。セラミック摩耗性表面及びセラミック軸受け表面を有する物品は米国特許第５，９８５，２０５ 号及び同第５，３６１，７４０ 号にそれぞれ記載されている。これらの特許の開示はそれらの全体が参照により本明細書にインコーポレートされる。チタンから構成される義肢やそれを製造する技法は知られており、これらの製造方法は本発明のセラミック母体ナノ複合体から構成される義肢を製造するために使用しうる。
【００１７】
実施例１
炭素ナノチューブの製造条件に対する安定性
熱圧の間におけるＭＷＮＴの安定性を研究するために、ＭＷＮＴの ０．１ｇを ８０ ＭＰａ で １３００ ℃でアルゴン中で１時間熱圧した。フィリップスＣＲＧ３００ 回折計を用いＣｕＫα照射により、熱圧したＭＷＮＴ及び作成したままのＭＷＮＴについてＸ線分析を行なった。
【００１８】
図１に示すｘ線回折模様は作成したままのＭＷＮＴ（図１（ａ））及び熱圧したＭＷＮＴ（図１（ｂ））の構造を明らかにする。作成したままのＭＷＮＴについては、 ２５．９８°（２θ） で（００２）平面に対する１本のピークがあった。この（００２）平面からの該線の ０．３４３ｎｍのｄ間隔はグラファイトの ０．３３５ｎｍ（ＪＣＰＤＳ ファイル、２６−１０７９）よりも僅かに大きかった。このＭＷＮＴの該（００２）平面に対する該Ｘ線の線幅はＢｍ ＝０．７ °（２θ） であり、α− アルミナ標準の（０１２）平面についてはそれはＢｓ ＝ ０．１７ °（２θ） であった。これらの数値を用いて、「シェラー式」ｔ＝（０．９ ＊ λ）／（Ｂ＊ ｃｏｓ θＢ ） により、該ＭＷＮＴの平均直径（又は厚さ）を計算した。上式中、ｔは該粒子の厚さであり、λはｘ線の波長であり、Ｂは最大強度のピークの半値幅であり、θＢ は回折角である。該ＭＷＮＴの平均直径はシェラー式に基づけば約１２ｎｍであった。熱処理されそして熱圧されたＭＷＮＴ試料のｘ線構造は合成されたままのものと本質的に同一であり、このことはこれらのＭＷＮＴが熱圧の間安定であったことを示す。ＭＷＮＴの長さはＴＥＭにより測定したとき ０．３から ０．８μｍの範囲であった。
【００１９】
実施例２
アルミナ／ＭＷＮＴ複合体の製造
γ相、粒子サイズ２３ｎｍのアルミナ粉末を、ナノフェーズ・テクノロジーズ・コーポレーション、バーリッジ、ＩＬから入手し、１３００℃で空気中箱型炉中で７分間熱処理することによりα−相に転換させた。得られた粒状サイズのα−相アルミナ粉末は約 ４４ ｎｍであった。ＭＷＮＴはアーク法により合成した。
【００２０】
このα−アルミナ粉末を ５から２０容量％のＭＷＮＴと混合し、得られた混合物をエタノール中超音波プローブを用いて約４０分間分散させた。この混合物をエタノールの大部分が蒸発するまで超音波浴中に保持し、次いで該混合物を７５℃で２４時間乾燥させた。弱く凝集した混合物を磨り潰し、めのうの乳棒・乳鉢で再混合し、次いで １３０℃で１２時間乾燥した。このアルミナ−ＭＷＮＴ混合物を黒鉛金型中で １３００ ℃、６０ ＭＰａの圧力で、アルゴン雰囲気下で１時間熱圧することにより焼結して、一体型のアルミナ（０容量％ＭＷＮＴ）及び ５〜２０容量％ＭＷＮＴのアルミナ母体複合体を得た。
【００２１】
該複合体の密度はアルキメデス法により測定し、理論的密度を計算した。式、理論密度パーセント＝１００×測定密度／理論密度、を用いて理論密度パーセントを求めた。アルミナとＭＷＮＴの間の相互作用から新たな相のできる如何なる可能性をも明らかにするため該複合体についてｘ線分析を行なった。該複合体の表面を１μｍダイアモンドペーストで、次いで ０．３μｍのアルミナ粉末で研磨した。該複合体の硬度は、ミクロ−ヴィッカース・ハードネス・インデンター（モデル Ｍ−４００、レコ社） を用い、該表面に１ｋｇの負荷を１０秒間掛けて測定した。該複合体の破損耐性（ｆｒａｃｔｕｒｅ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ） 、Ｋｃ を測定するため、ヴィッカース・ハードネス・テスター（ヴィッカー・リミティッド）を５ｋｇの負荷を掛けて用い、破損耐性を「エバンズとチャールズ」方程式（Ｋｃ ＝０．００８２４ ＊ （Ｐ／Ｃ１．５）、ここで Ｐは掛けられた負荷 （ニュウトン） に等しく、Ｃ は亀裂の長さ（メーター） に等しい）により計算した。該複合体の破損表面を観察するため、ＭＷＮＴの １０ 容量％を含む該複合体のミクロ構造をＴＥＭ（ＪＥＯＬ ４０００）により及びＳＥＭ（ＪＥＯＬ−Ａ４０） により、超ミクロトーム切片で研究した。
【００２２】
結果は表１に示す。この表は熱圧したアルミナが理論密度の ９７．８ ％を持っていたが、５ 容量％のＭＷＮＴを含む複合体は理論値の ９９．８ ％の密度を持っていたことを示す。該複合体の密度は該ＭＷＮＴの含量が増加するにつれ減少し、２０容量％ＭＷＮＴは理論密度の ９７．９ ％を示した。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
図２は ２０ 容量％ＭＷＮＴを含む複合体から得られたｘ線回折模様を示す。この模様は、如何なる新たな相もなく、α−相アルミナとＭＷＮＴのみを示す。このことは該複合体中のナノチューブの安定性を明らかにする。
【００２５】
該複合体のヴィッカース硬度はＭＷＮＴの含量が増加するにつれ減少した。破損耐性は熱圧したアルミナ及び１０容量％ＭＷＮＴを含む複合体について測定した。１０容量％ＭＷＮＴの付加は、３．４ から４．２ までのＭＰａｍ１／２ で約２４％まで破損耐性を増加させた。少なくとも １５ 容量％のＭＷＮＴを含んだ複合体については、破損耐性は亀裂の不規則な形状のためそして４より少ない角から亀裂が生じ、凝集したナノチューブの領域の周りに亀裂がないなどの問題のため、測定することが困難であった。
【００２６】
該複合体を二つの部分に割った後、破損表面をＳＥＭにより研究した。１０容量％のＭＷＮＴを含む複合体の破損表面の顕微鏡写真を図３に示す。このＭＷＮＴは該複合体の中で十分によく分散していた。該複合体を割って離した場合でさえも、該ＭＷＮＴはなおアルミナ母体の中に部分的に埋没していた。該ナノチューブは該処理も焼結プロセスにも耐えたことは明らかであった。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は複層壁炭素ナノチューブ（ＭＷＮＴ）試料の、アルゴン中、１３００℃で１時間、８０ ＭＰａで熱圧する前 （曲線（ａ））と後 （曲線（ｂ））のＸ線回折模様である。
【図２】図２は、２０容量％のＭＷＮＴと ８０ 容量％のナノ相アルミナの組成のナノ複合体のＸ線回折模様であり、α−アルミナとＭＷＮＴに帰しうるピークのみを示し、そしてこの複合体におけるナノチューブの安定性を明らかにする。
【図３】図３は、１０容量％のＭＷＮＴを含むナノ複合体からの破損表面の走査電子顕微鏡写真である。
【図１】
2004507434.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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