βの効果

Scientific Reports volume 12、記事番号: 12287 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

高密度カーボンブロックは、優れた機械的、熱的、電気的特性を備えています。 特に、これらのブロックは過酷な環境下でも優れた物性を維持し、様々な分野で応用されています。 本研究では、一定の条件で製造したバインダレスコークスを用いて、50～250MPaの様々な圧力条件下でグリーンボディ（GB）を成形し、その成形体を乾留して高密度のカーボンブロック（CB）を形成しました。 次に,成形圧力に応じた高密度カーボンブロックの機械的特性に及ぼすバインダレスコークスのβ樹脂と酸素官能基の影響を考察した。 ２００ＭＰａ以下の圧力で成形する場合には、ＯとＣの比率（Ｏ／Ｃ）の影響が大きくなり、Ｏ／Ｃが大きいほど機械的性質が高くなる。 一方、２５０ＭＰａの高圧で成形する場合、β樹脂含有量が低く、機械的性質が十分に低下している場合には、β樹脂含有量の影響が大きく、着実に増加する。 特に、β樹脂含有量が3.7wt%と最も多いCB-N7A3-250の場合、密度は1.79g/cm3、曲げ強度は106MPa、ショア硬度は99HSDであった。

高密度カーボンブロックは金属よりもはるかに軽く、優れた機械的、熱的、電気的特性を備えています。 特に超高温、高圧、化学組成などの過酷な環境下においても優れた物性を維持します。 その結果、高密度カーボンブロックは自動車、航空機、ロケットなどに使用され、燃費向上を目的としたほか、各種放熱材、断熱材、EMIシールド材などにも使用されています。 . 優れた電気的および熱的特性に基づいています1、2、3、4、5、6。

高密度カーボンブロックを製造するための原料は、その数に応じて一次原料と二成分原料に分けられます。 まず、メソカーボンマイクロビーズ（MCMB）は主要材料の代表的な例であり、自己焼結性を有し、追加のバインダー材料を必要とせずに成形できる物質です7、8、9。 これはβレジンと呼ばれる結合材を自発的に持っているためです。 βレジンは溶媒の種類による溶解度の違いから定義され、一般的にはキノリンとトルエンの溶解度の違いを指します。 つまり、キノリンに可溶でトルエンに不溶な物質をβレジン10といいます。 これらの物質は流体相を持ち、固相間の空いた空間を埋めて固相をしっかりと付着させることができます。 さらに、焼結中に体積収縮が起こり、密度を高めることができます11,12,13。 一方、バイナリー材料はβレジンを含まないため、成形時にバインダー材料が必須であり、代表的な材料としてニードルコークスやグラファイトなどの高結晶性炭素材料が挙げられる14,15。 これらの材料は炭化され、機械的特性を向上させるために含浸されます 3,8。 さらに、導電性や熱伝導性などの特定の物性を向上させるために、カーボンナノチューブ（CNT）、炭素繊維、カーボンブラックなどが添加されています16、17、18、19、20。

これらの原料を用いて、コールドプレスまたはホットプレスにより成形体が製造される。 その後、800℃から1500℃で熱処理しながら炭化工程を経て、2000℃以上で熱処理しながら黒鉛化工程を経て、高密度のカーボンブロックが製造される21。

カーボンブロックの製造工程における最大の問題の一つは膨潤現象である22。 成形体中の揮発性物質が急速に放出されることで膨潤が起こり、細孔が形成されます23。 膨潤現象により、気孔率が増加し、機械的特性が低下します。 したがって、この問題を防ぐために多くの研究が行われてきました。 持田ら。 らは、成形前に原料を酸化安定化し、高温でも試験片が変形せず、揮発分を除去して膨潤を抑えた上で成形、熱処理を行ったと報告している4,25,26,27。 さらに、Ragan et al. ニードルコークスを酸化して結合強度に寄与する水酸基、カルボニル基、カルボキシル基等を付与し、コールタールバインダーピッチと混合し、成形、熱処理を施したもの。 そして、ニードルコークスの酸化度に応じて酸素官能基の量と酸素の抜け出し量を比較し、酸素官能基が最も多いニードルコークスを成形したときに高い機械的特性が現れることが報告されている28。 また、真空熱処理により低分子物質の揮発成分を除去することができる29。