(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素及び窒素を主成分とする黒鉛状物質、黒鉛類似状物質もしくは無定型炭素構造物質と金属粉の混合物に動的高温・高圧力を作用させる立方晶窒化炭素物質の製造方法において、上記炭素及び窒素を主成分とする黒鉛状物質、黒鉛類似状物質もしくは無定型炭素構造物質が、トリアジン系重合物質、もしくは窒素と炭素からなる縮合多環複素環式化合物であることを特徴とする立方晶窒化炭素物質の製造方法。
【請求項２】
動的高温・高圧力が、それぞれ、１０００〜３０００℃及び１０〜５０ＧＰａの範囲であることを特徴とする請求項１記載の立方晶窒化炭素物質の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高い硬度と耐熱性が必要な研磨剤や切削材として用いることのできる炭素及び窒素からなる硬質物質の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ダイヤモンドやこれと同様な結晶構造を有する等軸晶系窒化硼素（以下、ｃ−ＢＮと記す。）は、極めて硬く、高性能の研磨剤や切削材として、産業上不可欠の物質となっており、また、近年は優れた半導体としての利用が注目されている。
【０００３】
ダイヤモンドは最も硬い物質であるが、空気中で燃焼する事実が示すように、高温下では酸化雰囲気中で酸化されること、また、鉄系統の材料には浸食されやすいという欠点を持つ。ｃ−ＢＮは、上記のようなダイヤモンドの有する欠点を持たないのが利点であり、鉄系材料の優れた切削・研磨剤として注目されているが、硬度はダイヤモンドの約１／２程度であるため、硬質材料の切削には向かない。従って、近年、ダイヤモンドと同程度の硬度を有し、なおかつ化学的安定性に優れた物質が期待されるようになった。そのような物質としてベーター構造の窒化炭素（β−Ｃ3 Ｎ4 ）がLiuらによって提案された（A. Y. Liu and M. L. Cohen, Phys. Rev.B41,10727(1990)）。最近、この物質は、特殊な物理蒸着法によって、膜の微小部分に生成することが確認されたが（E. E. Haller, M. L. Cohen and W. L. Hansen, U. S . Patent 5110679）、純粋な物質として多量に得る方法は、いまだなされていない。
【０００４】
一方、合成ダイヤモンドの製造方法として、黒鉛に火薬を利用した衝撃圧縮力を作用させる方法が知られている。この方法は、純度の比較的高い粉末状のダイヤモンドを多量に合成するのに適した方法である。従って、β−Ｃ3 Ｎ4 についても同様な方法による合成の試みが行われたが、ダイヤモンドの生成以外には痕跡量のβ−Ｃ3 Ｎ4 も生成しなかった。(M. R. Wixom, J. Am. Ceram. Soc. 73, 1973(1990))。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、ダイヤモンドと同程度の硬度を有し、なおかつ化学的安定性に優れた物質である立方晶窒化炭素物質の製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は鋭意検討の結果、適切な出発物質に適切な動的圧力処理を施すことによって、本発明を成すに至った。すなわち、本発明は、（１）炭素及び窒素を主成分とする黒鉛状物質、黒鉛類似状物質もしくは無定型炭素構造物質と金属粉の混合物に動的高温・高圧力を作用させる立方晶窒化炭素物質の製造方法において、上記炭素及び窒素を主成分とする黒鉛状物質、黒鉛類似状物質もしくは無定型炭素構造物質が、トリアジン系重合物質、もしくは窒素と炭素からなる縮合多環複素環式化合物であることを特徴とする立方晶窒化炭素物質の製造方法、（２）動的高温・高圧力が、それぞれ、１０００〜３０００℃及び１０〜５０ＧＰａの範囲であることを特徴とする（１）記載の立方晶窒化炭素物質の製造方法、を提供するものである。
【０００７】
本発明における出発物質として、炭素及び窒素を主成分とする黒鉛状物質、黒鉛類似状物質もしくは無定型炭素構造物質が用いられる。中でもトリアジン系重合物質、及び窒素と炭素からなる縮合多環複素環式化合物等が好ましく用いられる。該トリアジン系重合物質としては、実質的にトリアジン環だけからなるポリトリアジン、トリアジン環がイミノ基を介して重合した構造を有するポリ（イミノトリアジン）、トリアジン環がヒドラジン基を介して重合したポリ（ヒドラジルトリアジン）、トリアジン環が窒素原子を介して重合した構造を有するポリ（窒化トリアジン）、トリアジン環がカルボジイミド基を介して重合した構造を有するポリ（カルボジイミドトリアジン）等が挙げられ、また、窒素と炭素からなる縮合多環複素環式化合物としては、例えば、トリクロロイソシアヌール酸をアンモニアで縮合して得られるトリアジン骨格の複素環式重合物質等が挙げられる。
【０００８】
これらの重合物質は、化学構造的に安定なトリアジン骨格を主成分として重合していることが重要であり、実質的に炭素及び窒素を主成分とするが、支障のない程度ならば、少量の水素、酸素、ハロゲン、その他の元素が含まれていてもよい。また、結晶学的構造は、黒鉛構造、黒鉛類似構造、もしくは無定型炭素構造であることが好ましい。
【０００９】
次に上記出発物質と金属粉を混合し、衝撃波による動的高温・高圧力を作用させる。該金属粉は通常、粒径０．０１〜１ｍｍの範囲のものが用いられる。該金属粉の混合は、出発物質に対して効果的に高圧力を与えるためと、生成した立方晶物質の構造を急速凍結するためであり、本発明にとって必須の条件である。金属粉の混合割合は、全重量の８０〜９９重量％の範囲に設定するのが収率上好ましい。金属粉としては、黒鉛そのものより衝撃インピーダンスの大きいものであれば特に限定するものではないが、例えば、銅、アルミニウム、コバルト、ニッケル、タングステンもしくはそれらの合金であり、出発物質及び生成物質に対して不活性な銅は、熱伝導率も高いので、好ましい金属の１つである。
【００１０】
また、衝撃波によって出発物質に与えられる平均温度と圧力は、それぞれ１０００〜３０００℃、及び、１０〜５０GPaの範囲に設定するのが好ましい。１０００℃未満及び１０GPa未満では、出発物質の立方晶構造への変換が困難であり、３０００℃を超える温度では、生成物質の相分離が起きるので好ましくない。また、圧力は通常２０〜４０GPaの範囲であれば立方晶への構造変換が効果的に起きるので、５０GPaを超える高圧力は殆どの場合必要としない。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施例により具体的に説明する。
【００１２】
【実施例１】
トリクロロメラミンを、ジメチルホルム溶媒中でDBU(1,8-diazabicyclo［5,4,0］undec-7-ene)を用いて脱塩酸し、ポリ（アミノイミノトリアジン）を得、これをさらに、１０-3〜１０-6ｔｏｒｒの真空中、３５０〜４００℃で数時間熱処理して、ポリトリアジンを得た。得られたポリトリアジンと平均粒径０．１ｍｍの銅粉とをポリトリアジン：銅粉＝２：９８の重量比で混合し、混合物を金型に入れ、プレス成形することにより、直径２０ｍｍ、厚さ５ｍｍの円板状成形体を得た。成形体は最密充填時の値の７０％の密度を有している。この成形体を試料として図１に示す装置で衝撃処理を行った。主爆薬はシクロテトラメチレンテトラミンと過塩素酸ナトリウムの６６％水溶液を重量にして約２００ｇ用いた。金属飛翔板４は、径及び肉厚がそれぞれ７６ｍｍ、３ｍｍの銅板を用いた。試料容器は内径２０ｍｍ、外径３０ｍｍ、高さ２０ｍｍのステンレス製で、これを包む保持容器は内径、外径、高さがそれぞれ３０ｍｍ、５０ｍｍ、４０ｍｍのしんちゅう製であり、さらにその外側をスチール製の管及び運動量捕獲材である鉛で取り巻いた。本実施例で試料内に発生する衝撃波は約２７GPa、温度は約２０００℃と推定された。爆発処理後、試料容器を回収し、機械加工によって試料を取り出し、硝酸と塩酸を用いて金属粉を溶解させ、さらに、過塩素酸を用いて、未反応の出発物質を分解除去し、不溶物の分離、乾燥操作を行い、最終的に一次粒子径約１０ｎｍの微粒粉末を得た。この粉末を粉末Ｘ線回折法で分析した結果、等軸晶系の回折パターンを示し、その回折位置は、推定された立方晶窒化炭素Ｃ3 Ｎ4 の回折位置（A. Y. Liu and R. M. Wentzcovitch, Phys. Rev. B50, 10362(1994)）に非常に接近していることがわかった。また、元素分析によって、炭素と窒素の比率はおよそ１：１であった。
【００１３】
【実施例２】
等モルのトリクロロメラミンと塩化シアヌールを環流キシレン溶媒中、６倍量のナトリウム金属を用いてカップリング反応を行い、イミノ基で縮合したポリトリアジンを得た。これを出発物質として、試料に与える衝撃圧が２０GPa、温度が１０００℃である他は、実施例１と同様な操作を行い、最終的に実施例１で得られたものと同様な微粒粉末を得た。この物質の粉末Ｘ線回折の結果は、実施例１と同様なパターンであった。また、元素分析の結果は、炭素と窒素の比率がおよそ１：１．１であった。
【００１４】
【発明の効果】
本発明の製造方法によって得られた立方晶窒化炭素物質は、研磨剤、切削材、もしくは優れた半導体材料として利用でき、産業上大いに有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で用いられた平面型衝撃圧縮装置の縦断面図を示す。
【符号の説明】
１    雷管
２    平面状爆轟波発生装置
３    主爆薬
４    金属飛翔板
５    プラスチック筒
６    空隙
７、７’  管（スチール製）
８    保持容器
９    試料容器
１０  試料
１１  運動量捕獲材
【図１】
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