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革新的高強度カーボンナノチューブ糸の創製と強度発現機構の解明

研究課題

研究課題/領域番号 16J11097
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
研究分野 機械材料・材料力学
研究機関早稲田大学

研究代表者

金 太成  早稲田大学, 基幹理工学研究科, 特別研究員(DC2)

研究期間 (年度) 2016-04-22 – 2018-03-31
研究課題ステータス 完了 (2017年度)
配分額 *注記
1,900千円 (直接経費: 1,900千円)
2017年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
2016年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
キーワードカーボンナノチューブ紡績糸 / 黒鉛化処理 / CNT単体強度評価 / ポリマー複合 / 分子動力学解析 / 強度特性 / 複合化 / 分子間力
研究実績の概要

本年度は無撚CNT糸の強度発現機構の解明に焦点を当てて研究を行った.CNT糸の機械的特性に及ぼすCNT単体の強度の影響をするため,単体の引張試験を行った.SEM中でCNT一本の両端を固定し,引張速度15 nm/sで試験を行った.未処理のCNTの公称引張強度は8.97 GPa,黒鉛化CNTは6.20 GPaであり,黒鉛化処理によって単体の強度は約30%低下した.一方,無撚CNT糸は黒鉛化処理によって強度が35%増大しており,単体とその集合体であるCNT糸では黒鉛化処理が強度に及ぼす影響が全く逆の傾向を示すことが明らかとなった.したがって,黒鉛化処理による糸の機械的特性の向上の主要因はCNT単体の機械的特性の変化ではないことが示唆された.糸の破断面に着目すると,黒鉛化処理によって破断形態はCNT束の引抜けから束の破断へと遷移することが明らかとなった.引き抜けが抑制されていることから,CNT間の不純物の焼失やCNT間距離の減少に伴うCNT間相互作用力の増大が糸のマクロな強度の増加につながったと考えられる.
CNT間相互作用力の評価を目的として分子動力学を用いてCNT糸の引張シミュレーションを行った.無撚CNT糸を構成するCNTは糸断面に対して直交配列していると仮定し,CNT間にポリマー分子を配置することでCNT/ポリマー複合糸のモデルを作成した.分子モデルにおいてCNT一本を引き抜き,その際の界面せん断強度を算出した.ポリビニルアルコール(PVA)やポリアクリル酸(PAA)を用いた場合,界面せん断強度が高く,CNTの引抜きにより大きな力を要する結果となった.これらのポリマーは側鎖に水素結合を形成しうる官能基を有しており,ファンデルワールス力などの分子間力に加えてCNTとの間の水素結合によってCNT間の荷重伝達を生じていることが示唆された.

現在までの達成度 (段落)

29年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

29年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2017 実績報告書
  • 2016 実績報告書
  • 研究成果

    (11件)

すべて 2018 2017 2016

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 3件)

  • [雑誌論文] 電気めっき処理によるカーボンナノチューブ/銅複合配線の創製および許容電流評価2018

    • 著者名/発表者名
      金太成,酒井貴広,星雄大,二川秀史,細井厚志,川田宏之
    • 雑誌名

      日本機械学会論文集

      巻: 84 号: 857 ページ: 17-00313-17-00313

    • DOI

      10.1299/transjsme.17-00313

    • NAID

      130006320927

    • ISSN
      2187-9761
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 無撚カーボンナノチューブ糸の機械的特性に及ぼす黒鉛化の影響と強度発現機構2018

    • 著者名/発表者名
      金 太成、林 晏理、二川 秀史、白須 圭一、山本 剛、橋田 俊之、細井 厚志、川田 宏之
    • 雑誌名

      日本機械学会論文集

      巻: 84 号: 860 ページ: 17-00585-17-00585

    • DOI

      10.1299/transjsme.17-00585

    • NAID

      130006726276

    • ISSN
      2187-9761
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 強化繊維径および界面特性を考慮したGF/PA射出成形材の引張強度予測2018

    • 著者名/発表者名
      白木伶治,岡本彪,小澤憲人,金太成,平山紀夫,谷口憲彦,西脇剛史,細井厚志,川田宏之
    • 雑誌名

      日本機械学会論文集

      巻: 84 号: 860 ページ: 17-00582-17-00582

    • DOI

      10.1299/transjsme.17-00582

    • NAID

      130006726273

    • ISSN
      2187-9761
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 無撚CNT紡績糸の力学特性に及ぼすCNT間相互作用因子の分子動力学解析2018

    • 著者名/発表者名
      金太成,林晏理,細井厚志,川田宏之
    • 学会等名
      第9回日本複合材料合同会議(JCCM-9)
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Development of Cu/Untwisted CNT composite with high ampacity and conductivity2017

    • 著者名/発表者名
      Takahiro Sakai, Tae Sung Kim, Hidefumi Nikawa, Atsushi Hosoi, Hiroyuki Kawada
    • 学会等名
      International Conference on Materials & Processing (ICM&P2017)
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] カーボンナノチューブ紡績糸の強度特性に及ぼすCNT間相互作用因子の分子動力学解析2017

    • 著者名/発表者名
      金太成,二川秀史,細井厚志,川田宏之
    • 学会等名
      第22回分子動力学シンポジウム・第10回マイクロマテリアルシンポジウム
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] ポリマー処理および熱処理による高強度化無撚カーボンナノチューブ糸の作製2017

    • 著者名/発表者名
      林晏理,十河和嘉, 金太成,二川秀史,細井厚志,川田宏之
    • 学会等名
      第42回複合材料シンポジウム
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] 高導電性・電流容量を有する黒鉛化カーバンナノチューブ金属複合繊維の創製2017

    • 著者名/発表者名
      梶原晃太郎,金太成,渡邊知久,安齊秀伸,細井厚志,川田宏之
    • 学会等名
      日本機械学会第1回機械材料・材料加工部門 若手ポスターシンポジウム
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] 高純度化無撚カーボンナノチューブ糸の創製および力学モデルの検討」2017

    • 著者名/発表者名
      林晏理,金太成,二川秀史,細井厚志,川田宏之
    • 学会等名
      日本機械学会第1回機械材料・材料加工部門 若手ポスターシンポジウム
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Strengthening of untwisted carbon nanotube yarn by graphitization treatment2016

    • 著者名/発表者名
      Taesung KIM
    • 学会等名
      2016 M&M International Symposium for Young Researchers
    • 発表場所
      Stony Brook, NY, USA
    • 年月日
      2016-08-10
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] DEVELOPMENT OF UNTWISTED CARBON NANOTUBE YARN WITH HIGH STRENGTH BY HEAT TREATMENT2016

    • 著者名/発表者名
      Taesung Kim
    • 学会等名
      17th European Conference on Composite Materials (ECCM17)
    • 発表場所
      Munich, Germany
    • 年月日
      2016-06-26
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会

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公開日: 2016-05-17   更新日: 2024-03-26  

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