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論文題目「Investigation of Electrode Phenomena for Nanomaterial Production by DC Arc Discharge Method」
(DCアーク法によるナノ材料合成における電極現象の研究)


梁 風
(現在,中国・昆明理工大学 教授

本論文は「Investigation of Electrode Phenomena for Nanomaterial Production by DC Arc Discharge Method」(DCアーク法によるナノ材料合成における電極現象の研究)と題し,英文で書かれ,全6章で構成されている。

第1章「Introduction」(諸言)では,各種の熱プラズマ源とアーク現象に関する研究の現状をまとめ,熱プラズマによるナノ粒子合成,および直流アークを用いた材料プロセスに関する既往の研究を概説している。さらに,熱プラズマによる炭素材料の合成に関する研究まとめ,本研究の構成と目的について述べている。

第2章「Relationship between Arc-Anode Attachment Mode and Temperature of Metal Electrode」(金属電極温度とアーク-陽極接触モードの関係)では,直流水素アークを用いた金属ナノ粒子合成プロセスにおける金属電極温度とアーク現象との関係を明らかにするため,ニッケル電極を用いた際のアークの放電現象と電極現象を解明している。高速度ビデオカメラとバンドパスフィルターを用いることで,放電中の化学種の動的挙動を観察し,同様の手法を用いて放電中の電極温度計測を行っている。ニッケル電極が蒸発しアーク中に混入することで,アークが変動する挙動を実験的に確認することに成功している。さらに,アークの変動現象を制御することで,ニッケルナノ粒子の粒径分布を制御することが可能であることを示している。

第3章Relationship between Arc-Anode Attachment Mode and Temperature of Carbon Electrode」(炭素電極温度とアーク-陽極接触モードの関係)では,炭素電極を用いた直流アーク放電法によるナノ炭素材料合成プロセスにおける炭素電極温度とアークの放電現象の関係を明らかにしている。高速度ビデオカメラとバンドパスフィルターを用いることで放電中の炭素電極温度を計測し,アークの変動と電極温度の変動が密接に関係していることを示している。複数の陽極点が形成される条件では電極温度が速く変動することを示し,陽極点がひとつの場合には陽極点の回転に対応した110〜240Hzの温度変動を確認している。これらのアーク変動に由来する電極温度変動はナノ炭素材料の生成に大きく影響を及ぼすこと結果を得ている。

第4章「Preparation of Carbon Nanomaterial on the Anode Deposit」(陽極堆積物におけるナノ炭素材料合成)では,直流アーク放電法によりナノ炭素材料を陽極堆積物として合成し,その生成機構を解明している。ヘリウムアークによって,陽極表面にグラファイトナノ粒子,多層カーボンナノチューブ,熱分解グラファイトが得られることを見出している。さらに、陽極表面の放電部から3.5 mmの領域にネックレス状カーボン,球状カーボン粒子が堆積していることも確認している。これらの実験結果に加え,第3章で得られた電極温度に関する知見を基に,ナノ炭素材料の生成機構を考察している。陽極堆積物としてのナノ炭素材料は,電極平均温度とその変動幅によって決定されることを見出している。

第5章「Preparation of Carbon Nanomaterial in the Cathode Deposit」(陰極堆積物におけるナノ炭素材料合成)では,直流アーク放電法によりナノ炭素材料を陰極堆積物として合成し,その生成機構を解明している。陰極堆積物生成に及ぼすアーク電流,陽極径,電極間距離の影響を実験的に検討し,多面体グラファイト粒子,多層カーボンナノチューブ,グラフェンフレーク,乱層構造グラファイトを適切に実験条件を選択することで合成できることを見出している。その生成機構を解明するために電極表面における発光分光計測を行い,陰極付近での炭素イオンと炭素ラジカルの相対比が陰極堆積物としてのナノ炭素材料の生成に大きく影響を及ぼすことを明らかにしている。

第6章「Conclusions」(結言)では,本論文を総括し、今後の展望を述べている。

研究論文

国際学会

  • Feng Liang, Tasuku Shimizu, Manabu Tanaka, Sooseok Choi, and Takayuki Watanabe: Preparation of Graphite Polyhedral Particle by Transferred Arc Under Atmospheric Pressure, P3111C, 4th International Symposium on Advanced Plasma Science and Its Applications for Nitrides and Nanomaterials, p.235 (2012.3.7 Chubu University)
  • Manabu Tanaka, Tasuki Shimizu, Feng Liang, and Takayuki Watanabe: Anode Jet Characteristics of Argon-Hydrogen Arc under Atmospheric Pressure, 12th European Plasma Conference, PS1.34 (2012.6.26 Bologna, Italy).
  • Takayuki Watanabe, Manabu Tanaka, Tasuku Shimizu, and Feng Liang: Anode Jet Characteristics of Argon-Hydrogen Arc for Nanoparticle Production, Proceedings of 9th International Conference on Fluid Dynamics, p.692-693 (2012.9.20 Sendai International Center).
  • Feng Liang, Manabu Tanaka, Sooseok Choi, Takayuki Watanabe: Investigation of Formation Mechanisms of Carbon Materials by Comparing Cathode Deposit with Anode Deposit in Arc Discharge Method, Abstracts of 11th Asia-Pacific Conference on Plasma Science and Technology, 1-P43 (2012.10.2 Kyoto University).
  • Takayuki Watanabe, Manabu Tanaka, Tasuku Shimizu, and Feng Liang: Metal Nanoparitce Production by Anode Jet of Argon-Hydrogen DC Arc, Abstract of 2012 International Conference in Manufacturing Engineering and Technology for Manufacturing Growth, p.13 (2012.11.1 San Diego, USA).
  • Feng Liang, Manabu Tanaka, Sooseok Choi, and Takayuki Watanabe: Electrode Temperature Measurement for Carbon Nanomaterial Production by Arc Discharge Method, Proceedings of 21st International Symposium on Plasma Chemistry, Paper ID:68 (2013.8.8 Cairns, Australia).

国内学会

  • 田中学, 梁風, 崔錫秀, 渡辺隆行: ナノ炭素材料合成に用いるアーク放電中の電極温度計測, 化学工学会第78年会研究発表講演要旨集, M115 (2013.3.17 大阪大学).
  • 田中学, 梁風, 渡辺隆行: 直流水素アークを用いたNiナノ粒子合成プロセスにおける電極現象, 化学工学会第79年会, I213 (2014.3.19 岐阜大学).