2018 Fiscal Year Annual Research Report
革新的合成法による無撚CNT繊維強化複合材料の創成と高強度化
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18H01341
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
川田 宏之 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (20177702)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
白須 圭一 東北大学, 工学研究科, 助教 (20757679)
荒尾 与史彦 東京工業大学, 物質理工学院, 助教 (40449335)
細井 厚志 早稲田大学, 理工学術院, 准教授 (60424800)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | カーボンナノチューブ / 引張強度 / 気相合成法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では世界最高強度を有するカーボンナノチューブ(CNT) 紡績糸の創製を目標としている．CNT紡績糸は，化学気層成長(CVD)法によってシリコン基板上に垂直に規則正しく成長したCNTフォレストからCNTを連続的に引き出し，それを撚り合わせることで作製される．本研究ではCNT紡績糸を構成するCNTの配向性を改善するために，微細径のダイスにCNTを通すことで，撚りの無い CNT紡績糸である CNT無撚糸を作製し，従来のCNT紡績糸よりも優れる機械的特性を得た．
CNT無撚糸は機械的特性を向上させる余地があり，また機械的特性を向上させることで従来の繊維強化複合材料に用いられる強化繊維への代替が期待される．このことから本研究ではCNT無撚糸に対して，作製条件の最適化や，高密度化を目的としたポリマー溶液への含浸処理， CNTの高純度化を目的とした熱処理条件の検討などを行ってきた．その結果，最大強度2.4 GPa，ヤング率231 GPaと，従来の強化繊維に匹敵する機械的特性を得た．
本年度はより高強度なCNT無撚糸の作製を目的に，CNT無撚糸を構成するCNT単体の物性値に着目し，CNTの合成条件の検討とCNT単体の物性値評価，異なるCNTで構成されたCNT無撚糸の機械的特性評価を行った．CNTは多数の層で構成された筒状の形態をしているが，分子動力学(MD)法を用いたCNT単体の定性的な理論強度計算を行った結果，CNTは薄層かつ細径であるほど機械的特性が向上することが示唆された．これをもとに，従来の5-10層，外径10 nmのCNTと本年度合成した3-8層，外径 7.4 nmの薄層・細線なCNTについて，それぞれ走査電子顕微鏡(SEM)内で引張試験を行った結果，薄層・細線なほどCNT単体の機械的特性が向上する傾向が得られ，解析結果と一致した．またそれぞれのCNTで構成されたCNT無撚糸についても，従来のCNT無撚糸と比較して，薄層・細線なCNTで構成されたCNT無撚糸が機械的特性に優れる結果が得られた．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では高強度CNT無撚糸の創製を目的としている．本年度までに，CNT無撚糸を構成するCNTの合成条件の検討や，ポリマー溶液処理をはじめとしたCNT無撚糸の高強度化処理を行っており，CNT無撚糸の機械的特性を向上させている．当初の計画通りにCNT無撚糸の機械的特性の向上に成功しており，研究の進捗状況としておおむね順調といえる．現在は更なるCNT無撚糸の機械的特性向上のため，より薄層・細線なCNTで構成されたCNT無撚糸の機械的特性評価や，CNT無撚糸を高強度させるためのポリマー溶液の選定を行っている．
またCNT無撚糸を構成するCNT単体の機械的特性に着目しており，SEMを用いたCNT単体の引張試験を導入してきた．これにより，CNT単体の機械的特性がCNT無撚糸の機械的特性に及ぼす影響評価が可能となった．これらの実験結果と，分子動力学をはじめとした解析結果を統合することで， CNT無撚糸の更なる高強度化についての知見を得ている．
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度までに，CNT無撚糸の機械的特性を向上させる手法として，CNT無撚糸を構成するCNT単体を薄層化・細線化させることが効果的であることを示した．本年度は更なるCNT無撚糸の機械的特性の向上を目的に，より薄層・細線なCNTで構成されたCNT無撚糸の作製および機械的特性評価を行う．また，そのCNT無撚糸について，従来本研究で行ってきた知見をもとに，ポリマー溶液処理をはじめとした高強度化処理の最適条件の探索を行う．解析についても引き続き分子動力学を用いることで，CNT単体の層数や外径，CNT内の欠陥やCNT層間の荷重伝達率が及ぼすCNT単体の機械的特性への影響について評価を行う．
また，これまで本研究で得たCNT無撚糸の作製の知見をもとに，新規にCNT基複合材料を作製する．母材に用いる樹脂の選定や熱処理条件の最適条件の探索などを行うことで，高強度CNT基複合材料の創製を目指す．また，従来行ってきたCNT単体の引張試験に加え，CNT/樹脂間の界面強度の取得や，CNT基複合材料とCNT無撚糸との機械的特性の比較を行うことで，CNT基複合材料のマクロな機械的特性が何に依存しているか明らかにする．これらを通してCNT基複合材料の知見を得ることで，更なるCNT基複合材料の高強度化を行う．
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