フェノール樹脂熱分解炭素の二官能窒素修飾:g-C3N4保護相と骨格窒素ドーピングによる耐酸化性向上
Dual-Function Nitrogen Modification of Phenolic Resin Pyrolytic Carbon: A g-C3N4 Protective Phase and Skeletal Nitrogen Doping for Enhanced Oxidation Resistance
フェノール樹脂熱分解炭素(PR)は炭素質耐火物や炭素/炭素複合材料の主要なマトリックス相であるが、欠陥の多いガラス状炭素構造のため高温での耐酸化性に劣る。本研究では、メラミンを窒素源とした一段階熱処理により、窒素修飾フェノール樹脂熱分解炭素(NC)を調製した。500~800°Cで炭酸化したサンプルの構造進化と酸化挙動を分析した結果、メラミン由来の窒素は二つの形態で存在することが明らかになった。500~700°Cでは、グラファイト状炭素窒化物(g-C3N4)と一致する炭素窒化物リッチ相が炭素表面にシート状・ベルト状構造を形成し、内部細孔を部分的に充填した。800°Cでは、g-C3N4の長距離結晶性シグネチャは消失したが、ピリジン、ピロール、グラファイト状窒素は炭素骨格内に残存した。500~800°Cにおいて、ピリジン窒素の相対N 1sフラクションは72.33%から44.38%に減少し、グラファイト状窒素は0.47%から24.09%に増加した。同時に、細孔構造は500~600°Cの限定的な比表面積を持つメソポア優位構造から、700~800°Cのマイクロポアリッチ構造へと進化した。NC-800は、未修飾のPR-800と比較して、酸化開始温度が約30°C高く、完全酸化温度が約40°C高く、最大質量損失率が低く、発熱応答が遅延・広帯化した。これらの結果は、メラミン由来の細孔制御と骨格窒素ドーピングが酸素輸送を抑制し、酸化活性欠陥サイトを抑制することで、フェノール樹脂熱分解炭素の高温耐酸化性を改善する単純でスケーラブルな経路を提供することを示している。
- メラミンを窒素源とした一段階熱処理により、フェノール樹脂熱分解炭素の耐酸化性改善を実証。NC-800は未修飾PR-800比で酸化開始温度が約30°C、完全酸化温度が約40°C向上した
- 500〜800°Cの熱処理温度ゾーンで、グラファイト状窒素の相対比率が0.47%から24.09%へ増加し、細孔構造がメソポア優位からマイクロポアリッチ構造へ進化した
フェノール樹脂熱分解炭素の耐酸化性を窒素ドーピングとg-C3N4保護相の形成により向上させるシンプルでスケーラブルな製造経路を実証した点は、耐火材料や炭素/炭素複合材料など高温用途向け材料の性能改善に直結する。酸化開始温度が約30°C、完全酸化温度が約40°C向上した数値は具体的な性能改善として投資判断に資する。ただし、本研究成果の企業化状況や市場投入の見通しは示されておらず、産業応用までの距離には不確実性がある。