特表 2024-522413 高圧装置から離脱可能な高圧状態の材料の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-06-21

(54)【発明の名称】高圧装置から離脱可能な高圧状態の材料の製造方法

(51)【国際特許分類】

   B01J 3/06 20060101AFI20240614BHJP

【ＦＩ】

B01J3/06 R

B01J3/06 E

B01J3/06 S

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023507503

(86)(22)【出願日】2022-06-20

(85)【翻訳文提出日】2023-02-01

(86)【国際出願番号】 CN2022099695

(87)【国際公開番号】W WO2023216365

(87)【国際公開日】2023-11-16

(31)【優先権主張番号】202210515692.8

(32)【優先日】2022-05-11

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】523036384

【氏名又は名称】北京高圧科学研究中心

(74)【代理人】

【識別番号】110000176

【氏名又は名称】弁理士法人一色国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】曽 橋石

(72)【発明者】

【氏名】曽 ▲徴▼丹

(72)【発明者】

【氏名】毛 立文

(72)【発明者】

【氏名】毛 河光

(57)【要約】

本発明は材料分野に関するものであり、具体的には、高圧装置から離脱可能な高圧状態の材料の製造方法を提供し、前記方法は、炭素材料とターゲット材料を高圧装置に入れ、高温高圧処理を経て、内部に高圧状態の材料を含むダイヤモンド与圧カプセルを得ることを含む。本発明は、炭素材料とターゲット材料を混合して従来の高圧装置の試料室に入れ、高温高圧処理を用いて炭素材料をダイヤモンドに変換させることにより、高圧状態の材料（物質およびその加圧状態を含む）をダイヤモンド与圧カプセルの内部に封じ込むことができる。当該ダイヤモンド与圧カプセルが、従来の高圧装置から離脱して存在し、かつ内部の高圧状態を維持することができるため、高圧状態の材料を常圧環境で研究し、使用することができる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

炭素材料とターゲット材料を高圧装置に入れ、高温高圧処理を経て、内部に高圧状態の材料を含むダイヤモンド与圧カプセルを得る工程を含むことを特徴とする高圧装置から離脱可能な高圧状態の材料の製造方法。

【請求項2】

前記高温高圧処理の圧力が５～１００ＧＰａであり、温度が４００～３０００℃であることを特徴とする請求項１に記載の高圧装置から離脱可能な高圧状態の材料の製造方法。

【請求項3】

前記高温高圧処理の圧力が２５～５０ＧＰａであり、温度が１５００～２０００℃であり、保温時間が１～２０分であることを特徴とする請求項２に記載の高圧装置から離脱可能な高圧状態の材料の製造方法。

【請求項4】

前記炭素材料が、グラファイト、カーボンブラック、ガラス状炭素、グラフェン、フラーレン、カーボンナノチューブ、アモルファスカーボン、ダイヤモンド、アダマンタンのうちの１種又は複数種であることを特徴とする請求項１に記載の高圧装置から離脱可能な高圧状態の材料の製造方法。

【請求項5】

前記ターゲット材料が、気体、液体又は固体であることを特徴とする請求項１に記載の高圧装置から離脱可能な高圧状態の材料の製造方法。

【請求項6】

前記ターゲット材料の一部または全部が前記炭素材料に包まれていることを特徴とする請求項５に記載の高圧装置から離脱可能な高圧状態の材料の製造方法。

【請求項7】

前記高圧装置が、ダイヤモンドアンビルセル又は大容量プレスであることを特徴とする請求項１に記載の高圧装置から離脱可能な高圧状態の材料の製造方法。

【請求項8】

前記炭素材料と前記ターゲット材料を混合してから前記高圧装置の試料室に入れ、あるいは、前記炭素材料と前記ターゲット材料を前記高圧装置の試料室に入れてから混合することを特徴とする請求項１に記載の高圧装置から離脱可能な高圧状態の材料の製造方法。

【請求項9】

前記高圧状態の材料が、前記ターゲット材料が１気圧より大きい圧力に置かれた状態であることを特徴とする請求項１～８のいずれか一項に記載の高圧装置から離脱可能な高圧状態の材料の製造方法。

【請求項10】

前記方法が、
炭素材料とターゲット材料を高圧装置の試料室に入れてから混合し、あるいは、炭素材料とターゲット材料の混合物を高圧装置の試料室に入れる工程と、
炭素材料とターゲット材料に対して、圧力が５～１００ＧＰａであり、温度が４００～３０００℃である高温高圧処理を行う工程と、
減温・減圧後、内部に高圧状態の材料を含むダイヤモンド与圧カプセルを得る工程と
を含むことを特徴とする請求項１に記載の高圧装置から離脱可能な高圧状態の材料の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、高圧および材料分野に関するものであり、具体的には、高圧装置から離脱可能な高圧状態の材料の製造方法に関するものである。

【0002】

［相互参照］
本願は、２０２２年５月１１日に出願された発明の名称が「高圧装置から離脱可能な高圧状態の材料の製造方法」である中国特許出願第２０２２１０５１５６９２．８号に基づき優先権を主張し、その全開示内容をここに援用する。

【背景技術】

【0003】

極端に高い圧力（圧力が１気圧より大きい物理的環境を意味し、以下、「高圧」と略する。）は、材料の構造およびその理化学特性を顕著に変えることができる。従来の多くの研究により、高圧を利用することで、常圧では得られない新材料や優れる特性が多く得られることが明らかになった。例えば、高圧では、材料の熱電特性、光電特性、発光特性、超伝導特性などの顕著な向上を実現できる。従来の固相材料に加え、常圧下において気態又は液態である物質も高圧下では固態に変換される。これらの系に対する高圧研究も多くの進展を遂げており、例えば、水素が極端な高圧において金属化される可能性があること、超伝導温度が２０３Ｋにも達する硫化水素化合物、超伝導温度が室温（１５℃）に近い炭素質水素化硫黄、高温高圧下で合成される高エネルギー密度を有する重合性窒素（ｐｏｌｙｍｅｒｉｃ ｎｉｔｒｏｇｅｎ）等が見出されている。

【0004】

しかし、これらの高圧下で合成された新材料および得られた優れる特性は、高圧環境のみで存在し、減圧後には可逆的な変化が起こり、常圧下で保存できないことが多い。一方、高圧の安定的な発生および維持はダイヤモンドアンビル、大容量プレス等の高圧装置に依存する。従って、高圧下で合成された多くの新材料は、高圧装置から離脱して独立に存在することができないため、便宜に研究・実用化されることができない。

【発明の概要】

【0005】

本発明の目的は、高圧装置から離脱可能な高圧状態の材料の製造方法を提供することである。本発明は、ダイヤモンド与圧カプセルを合成することにより、従来の高圧装置から離脱して、材料の高圧構造、物性および圧力をダイヤモンド与圧カプセルに永久的に保存でき、高圧状態の材料の常圧での使用を可能にする。

【0006】

本発明は、炭素材料とターゲット材料を高圧装置に入れ、高温高圧処理を経て、内部に高圧状態の材料を含むダイヤモンド与圧カプセルを得ることを含む、高圧装置から離脱可能な高圧状態の材料の製造方法を提供する。

【0007】

本発明は、炭素材料とターゲット材料を混合して従来の高圧装置の試料室に入れ、高温高圧処理により、炭素材料をダイヤモンドに変換させることで、高圧状態の材料（物質およびその加圧状態を含む）をダイヤモンド与圧カプセルの内部に封じ込むことができる。当該ダイヤモンド与圧カプセルは、従来の高圧装置から離脱して存在し、かつその内部の高圧状態を維持することができ、これにより、高圧状態の材料を常圧環境において研究し、使用することができる。本発明は、ダイヤモンド与圧カプセルを製造することで、材料の加圧状態、高圧構造およびその物性を高圧装置から離脱して保存することができないという課題を解決し、これにより、高圧材料の常圧環境における研究および使用を実現できる。

【0008】

本発明の一部の実施例において、前記高温高圧処理の圧力は５～１００ＧＰａであり、温度は４００～３０００℃である。

【0009】

さらに好ましくは、前記高温高圧処理の圧力は２５～５０ＧＰａであり、温度は１５００～２０００℃であり、保温時間は１～２０分である。

【0010】

本発明の一部の実施例において、前記炭素材料は、グラファイト、カーボンブラック、ガラス状炭素、グラフェン、フラーレン、カーボンナノチューブ、アモルファスカーボン、ダイヤモンド、アダマンタンのうちの１種又は複数種である。

【0011】

本発明の一部の実施例において、前記ターゲット材料は、気体、液体又は固体である。

【0012】

本発明の一部の実施例において、前記ターゲット材料の一部または全部が前記炭素材料に包まれている。

【0013】

具体的には、炭素材料の多孔質微細構造（一部の炭素材料、例えば、ガラス状炭素は内部に密閉された孔を含み、高圧による拡散によりターゲット材料が孔に入り込み、さらに当該孔を充填する）、又は混合に関与する炭素材料とターゲット材料との体積比（炭素材料の体積はターゲット材料より遥かに大きく、例えば、体積比は３０：１である）を制御することで、炭素材料がターゲット材料を包むことを確保できる。

【0014】

本発明の一部の実施例において、前記高圧発生装置は、ダイヤモンドアンビル、大容量プレスおよび他の高温高圧を発生できる設備である。

【0015】

本発明が提供する高圧装置から離脱可能な高圧状態の材料の製造方法によれば、前記炭素材料と前記ターゲット材料を混合してから前記高圧装置の試料室に入れ、あるいは、前記炭素材料と前記ターゲット材料を前記高圧装置の試料室に入れてから混合する。

【0016】

本発明が提供する高圧装置から離脱可能な高圧状態の材料の製造方法によれば、前記高圧状態の材料は、前記ターゲット材料が１気圧より大きい圧力に配置された状態である。即ち、前記ターゲット材料は、前記高圧状態の材料が常圧下における状態である。

【0017】

本発明の好ましい実施形態において、前記高圧装置から離脱可能な高圧状態の材料の製造方法は、
炭素材料とターゲット材料を高圧装置の試料室に入れてから混合し、あるいは、炭素材料とターゲット材料の混合物を高圧装置の試料室に入れる工程と、
炭素材料とターゲット材料に対して、圧力が５～１００ＧＰａであり、温度が４００～３０００℃である高温高圧処理を行う工程と、
減温・減圧後、内部に高圧状態の材料を含むダイヤモンド与圧カプセルを得る工程と
を含む。

【0018】

なお、本明細書の記載において、「一実施例」、「一部の実施例」、「例示」、「具体例」、又は「一部の例示」などの用語は、その実施例または例示に関連して記載した具体的な特徴、構造、材料又は特点が、本発明の実施例の少なくとも一つの実施例または例示に含まれることを意味する。本明細書において、上記用語の概略的な表現は、必ずしも同じ実施例または例示を対象とする必要はない。そして、記載された具体的な特徴、構造、材料又は特点は、いずれか一つまたは複数の実施例または例示において適切な方式で結合することができる。さらに、矛盾しない場合、当業者は、本明細書に記載の異なる実施例または例示、および異なる実施例または例示の特徴を結合させ、組み合わせることができる。

【0019】

本発明は高圧装置から離脱可能な高圧状態の材料の製造方法を提供し、内部に高圧状態の試料を含むダイヤモンド与圧カプセルを製造することで、材料の加圧状態、高圧構造およびその物性を高圧装置から離脱して保存できないという課題を解決し、これにより、高圧材料の常圧環境における研究および使用を実現している。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明の実施例１で得られた高圧状態の材料を内含するダイヤモンド与圧カプセルのＸ線回折パターンである。

【図2】本発明の実施例１で得られた高圧状態の材料を内含するダイヤモンド与圧カプセルの透過型電子顕微鏡の画像であり、枠で囲まれたのは高圧アルゴン結晶粒である。

【図3】本発明の実施例２で得られた高圧状態の材料を内含するダイヤモンド与圧カプセルのＸ線回折パターンである。

【図4】本発明の実施例３で得られた高圧状態の材料を内含するダイヤモンド与圧カプセルの走査型電子顕微鏡のエネルギースペクトルである。

【発明を実施するための形態】

【0021】

本発明の実施例の目的、技術案および利点をより明確にするために、以下、本発明の実施例における技術案に対して明確かつ完全な説明を行うが、記述した実施例が本発明の一部の実施例であり、全ての実施例ではないことは明らかである。本発明における実施例に基づいて、当業者が創造的な労働をせずに得た他の実施例は、いずれも本発明の保護しようとする範囲に包含される。

【0022】

特に断りがない限り、本発明の実施例にかかる原料はいずれも商業ルートから入手できる。

【0023】

以下の実施例において用いられるガラス状炭素はＡｌｆａ Ａｅｓａｒ社製であり、そして黒鉛粉末、フラーレン粉末、塩化ナトリウム粉末、塩化カリウム粉末はＡｌａｄｄｉｎ社製である。

【0024】

実施例１
本実施例は、高圧装置から離脱可能な高圧状態の材料の製造方法を提供し、具体的な工程は以下のとおりである。

【0025】

ガラス状炭素を長さ、幅がそれぞれ５０μｍで、厚さが１５μｍである小塊状にカットし、ダイヤモンドアンビルの試料室に入れた。高圧ガス充填装置を用いて試料室にアルゴンガスを導入し、高圧ガス充填装置の圧力は２１０００ｐｓｉであった。ダイヤモンドアンビルの圧力を５０ＧＰａまで上昇させ、１８００℃まで加熱して３分間保持し、内部に高圧結晶アルゴンが包まれたダイヤモンド与圧カプセルを得た。

【0026】

合成されたサンプルに対してシンクロトロン放射光によるＸ線回折を行った結果は、図１が示す通りであり、サンプルがダイヤモンドおよび格子定数が４．２A（高圧アルゴンが置かれる圧力が、約２２ＧＰａであることに対応する）である高圧結晶アルゴンを含むことが明らかになった。高分解能電子顕微鏡を用いて、合成されたダイヤモンド与圧カプセルサンプルを分析し、その結果は図２が示す通りであり、サンプルがダイヤモンドとダイヤモンドに包まれた（１１１）面の平均面間隔が約２．５Aである高圧結晶アルゴンであることが明らかになった。

【0027】

実施例２
本実施例は、高圧装置から離脱可能な高圧状態の材料の製造方法を提供し、具体的な工程は以下のとおりである。

【0028】

ガラス状炭素を長さ、幅がそれぞれ５０μｍで、厚さが２０μｍである小塊状にカットし、ダイヤモンドアンビルの試料室に入れた。低温装置を用いて、常圧で高圧装置の試料室に液体アルゴンを注入した。その後、ダイヤモンドアンビルの圧力を３５ＧＰａまで上昇させ、１９００℃まで加熱して１分間保持し、内部に高圧結晶アルゴンが包まれたダイヤモンド与圧カプセルサンプルを得た。

【0029】

合成されたサンプルに対してシンクロトロン放射光によるＸ線回折を行った結果は、図３が示す通りであり、サンプルがダイヤモンドと高圧結晶アルゴンを含むことが明らかになった。

【0030】

実施例３
本実施例は、高圧装置から離脱可能な高圧状態の材料の製造方法を提供し、具体的な工程は以下のとおりである。

【0031】

ガラス状炭素を長さ、幅がそれぞれ４０μｍで、厚さが１０μｍである小塊状にカットし、ダイヤモンドアンビルの試料室に入れた。高圧ガス充填装置を用いて試料室にネオンガスを導入し、高圧ガス充填装置の圧力は２３０００ｐｓｉであった。ダイヤモンドアンビルの圧力を４９ＧＰａまで上昇させ、１７００℃まで加熱して１分間保持し、内部に高圧結晶ネオンが包まれたダイヤモンド与圧カプセルを得た。

【0032】

合成されたサンプルに対して、走査型電子顕微鏡を用いたエネルギースペクトル測定による成分分析を行った結果は、図４が示す通りであり、サンプルの成分が主に炭素とネオンの２種類の元素を含むことが明らかになった。

【0033】

実施例４
本実施例は、高圧装置から離脱可能な高圧状態の材料の製造方法を提供し、具体的な工程は以下のとおりである。

【0034】

黒鉛粉末（純度９９．９５％）と塩化ナトリウム粉末（純度９９．９９％）を３０：１のモル比で均一に混合させ、直径約１００μｍ、厚さ約２０μｍの小片にプレスし、ダイヤモンドアンビルの試料室に入れた。サンプルの上方および下方に厚さ約１０μｍの酸化マグネシウムシートをセットした。ダイヤモンドアンビルの圧力を４０ＧＰａまで上昇させ、１８００℃まで加熱して５分間保持し、内部に高圧塩化ナトリウムが包まれたダイヤモンド与圧カプセルを得た。

【0035】

当該内部に高圧塩化ナトリウムが包まれたダイヤモンド与圧カプセルは、高圧発生装置から取り出すことが可能であり、高圧塩化ナトリウムの研究及び使用に便宜である。

【0036】

実施例５
本実施例は、高圧装置から離脱可能な高圧状態の材料の製造方法を提供し、具体的な工程は以下のとおりである。

【0037】

フラーレン粉末（純度９９．９％）と塩化カリウム粉末（純度９９．９９％）を２：１のモル比で均一に混合させ、直径約１００μｍ、厚さ約２０μｍの小片にプレスし、ダイヤモンドアンビルの試料室に入れた。サンプルの上方および下方に厚さ約１０μｍの酸化マグネシウムシートをセットした。ダイヤモンドアンビルの圧力を２５ＧＰａまで上昇させ、１５００℃まで加熱して１０分間保持し、内部に高圧塩化カリウムが包まれたダイヤモンド与圧カプセルを得た。

【0038】

当該内部に高圧塩化カリウムが包まれたダイヤモンド与圧カプセルは、高圧装置から取り出すことが可能であり、高圧塩化カリウムに関する研究及び使用に便宜である。

【0039】

最後に、以上の実施例は、本発明の技術案を説明するためのものにすぎず、それを制限するものではない。また、上記の実施例を参照して本発明を詳細に説明したが、上記の各実施例に記載の技術案を修正し、またはその一部の技術的特徴を等価置換してもよく、これらの修正又は置換により得られた技術案の本質が本発明の各実施例の技術案の趣旨および範囲から逸脱することはないと、当業者は理解できる。

【産業上の利用可能性】

【0040】

本発明は高圧装置から離脱可能な高圧状態の材料の製造方法を提供し、前記方法は、炭素材料とターゲット材料を高圧装置に入れ、高温高圧処理を経て、内部に高圧状態の材料を含むダイヤモンド与圧カプセルを得ることを含む。本発明は、炭素材料とターゲット材料を混合して従来の高圧装置の試料室に入れ、高温高圧処理を用いて炭素材料をダイヤモンドに変換させることにより、高圧状態の材料（物質およびその加圧状態を含む）をダイヤモンド与圧カプセルの内部に封じ込むことができる。当該ダイヤモンド与圧カプセルは、従来の高圧装置から離脱して存在し、かつ内部の高圧状態を維持することができるため、高圧状態の材料を常圧環境で研究し、使用することができ、比較的良好な経済的価値および使用の見通しを有する。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【国際調査報告】