引張強度6GPaを超える超高強度・超軽量カーボンナノチューブ紡績糸の創製

• 研究課題/領域番号: 18H01708
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分26020:無機材料および物性関連
• 研究機関: 岡山大学
• 研究代表者: 林 靖彦 岡山大学, 自然科学研究科, 教授 (50314084)
• 研究分担者: 鶴田 健二 岡山大学, 自然科学研究科, 教授 (00304329) ; 羽田 真毅 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (70636365) ; 西川 亘 岡山大学, 自然科学研究科, 助教 (80243492) ; 徳永 智春 名古屋大学, 工学研究科, 助教 (90467332)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 17,810千円 (直接経費: 13,700千円、間接経費: 4,110千円); 2020年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円); 2019年度: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2018年度: 10,530千円 (直接経費: 8,100千円、間接経費: 2,430千円)
• キーワード: カーボンナノチューブ（CNT）紡績糸 / 乾式紡績 / 熱化学気相成長（CVD） / 2層CNT / 高強度 / 加熱処理 / カーボンナノチューブ（CNT） / 二層CNT / 長繊維 / 高強度化 / カーボンナノチューブ紡績糸 / 熱化学気相成長 / 高強度線材

研究成果の概要

本研究では，基板の合成した長尺・高密度の数層カーボンナノチューブ（CNT）フォレスから，乾式で紡績法によりCNT長繊維を作製し，実用上ベンチマークとなる炭素繊維の強度を超える引張強度のCNT長繊維の実現を目指した．室温からCNT合成初期の温度までの触媒金属粒子の形状変化を明らかにし，2層CNTを選択的に合成することが可能となった．そして，真空および極簿エタンガス中でCNT長繊維全体に通電加熱することで，残留するアモルファスカーボンの除去とグラフェンへの構造変化が同時に起こっていることを明らかにした．さらにCNT繊維を一方向に配向させる紡績糸技術により，2.5GPaを超える高強度が実現できた．

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究は，基板に垂直配向した長尺・高密度カーボンナノチューブ（CNT）フォレストを合成し，この基板から乾式紡績法によりCNT長繊維を作製し，その高強度化する手法を開発するものである．高強度で超軽量の特性を併せ持つCNT紡績糸が実現できると，炭素繊維強化プラスチック（CFRP）代替への応用が期待される．実用途の輸送機器用材料は，温室効果ガス削減のため，軽量化と高強度化が求められており，高強度CNT長繊維の実現は社会，産業基盤へ大きく貢献する．

研究成果

• [国際共同研究] Technische Universitat Dresden(ドイツ)
• [国際共同研究] University of Surrey(英国)
• [国際共同研究] Technische Universitat Dresden(ドイツ)
• [国際共同研究] Leibniz Institute/Technical University of Dresden(ドイツ)
• [雑誌論文] Systematic Investigations of Annealing and Functionalization of Carbon Nanotube Yarns (2020)
  • 著者名/発表者名: Scholz Maik、Hayashi Yasuhiko、Eckert Victoria、Khavrus Vyacheslav、Leonhardt Albrecht、B?chner Bernd、Mertig Michael、Hampel Silke
  • 雑誌名: Molecules 巻: 25 号: 5 ページ: 1144-1144
  • DOI: 10.3390/molecules25051144
  • NAID: 120006847418
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Nanostructural characterization of carbon nanotube yarn high-strengthened by Joule heating (2020)
  • 著者名/発表者名: Takaya Tezuka, Norio Mori, Takuya Murayama, Takuma Sano, Tomohiro Nakagawa, Hirotaka Inoue, Yasuhiko Hayashi, Toru Kuzumaki
  • 雑誌名: Carbon 巻: 171 ページ: 437-443
  • DOI: 10.1016/j.carbon.2020.09.014
  • 査読あり
• [雑誌論文] The critical role of the forest morphology for dry drawability of few-walled carbon nanotubes (2020)
  • 著者名/発表者名: H. Inoue, M. Hada, T. Nakagawa, T. Marui, T. Nishikawa, Y. Yamashita, Y. Inoue, K. Takahashi, Y. Hayashi
  • 雑誌名: Carbon 巻: 158 ページ: 662-671
  • DOI: 10.1016/j.carbon.2019.11.038
  • 査読あり
• [雑誌論文] One-minute Joule Annealing Enhances the Thermoelectric Properties of Carbon Nanotube Yarns via the Formation of Graphene at the Interface (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Hada, T. Hasegawa, H. Inoue, M. Takagi, K. Omoto, D. Chujo, S. Iemoto, T. Kuroda, T. Morimoto, T. Hayashi, T. Iijima, T. Tokunaga, N. Ikeda, K. Fujimori, C. Itoh, T. Nishikawa, Y. Yamashita, T. Kiwa, S. Koshihara, S. Maeda, Y. Hayashi
  • 雑誌名: ACS Applied Energy Materials 巻: 2 号: 10 ページ: 7700-7708
  • DOI: 10.1021/acsaem.9b01736
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Rapid and reversible lithiation of doped biogenous iron oxide nanoparticles (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Misawa, H. Hashimoto, R. K. Kalia, S. Matsumoto, A. Nakano, F. Shimojo, J. Takada, S. Tiwari, K. Tsuruta, and P. Vashishta
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 9 号: 1 ページ: 1828-1828
  • DOI: 10.1038/s41598-019-38540-8
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Resistance-heating of carbon nanotube yarns in different atmospheres (2018)
  • 著者名/発表者名: Maik Scholz, Yasuhiko Hayashi, Vyacheslav Khavrus, Daiki Chujo, Hirotaka Inoue, Masaki Hada, Albrecht Leonhardt, Bernd Buchner, Silke Hampel
  • 雑誌名: Carbon 巻: 133 ページ: 232-238
  • DOI: 10.1016/j.carbon.2018.03.022
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Bond Dissociation Triggering Molecular Disorder in Amorphous H2O (2018)
  • 著者名/発表者名: Hada Masaki、Shigeeda Yuho、Koshihara Shin-ya、Nishikawa Takeshi、Yamashita Yoshifumi、Hayashi Yasuhiko
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry A 巻: 122 号: 49 ページ: 9579-9584
  • DOI: 10.1021/acs.jpca.8b08455
  • 査読あり
• [雑誌論文] High-performance structure of a coil-shaped soft-actuator consisting of polymer threads and carbon nanotube yarns (2018)
  • 著者名/発表者名: Hirotaka Inoue, Takayuki Yoshiyama, Masaki Hada, Daiki Chujo, Yoshitaka Saito, Takeshi Nishikawa, Yoshifumi Yamashita, Wataru Takarada, Hidetoshi Matsumoto, Yasuhiko Hayashi
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 8 号: 7 ページ: 075316-075316
  • DOI: 10.1063/1.5033487
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 分子動力学法によるカーボンナノチューブ点欠陥の熱処理修復の解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 山田雅人，井上寛隆，鈴木弘朗，西川亘，山下善文，林靖彦
  • 学会等名: 020年度 応用物理・物理系学会 中国四国支部合同学術講演会
• [学会発表] 触媒アシスト加熱延伸処理によるカーボンナノチューブ紡績糸の高強度化 (2020)
  • 著者名/発表者名: 井上寛隆，中川智広，前谷光顕，那須郷平，鈴木弘朗，西川亘，山下善文，羽田真毅，高橋和彦，林靖彦
  • 学会等名: 2020年 第81回 応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Fe-Mo触媒を用いた高結晶カーボンナノチューブの高密度アレイ合成 (2020)
  • 著者名/発表者名: 前谷光顕，井上寛隆，中川智広，那須郷平，鈴木弘朗，西川亘，山下善文，林靖彦
  • 学会等名: 2020年 第47回 炭素材料学会年会
• [学会発表] Correlation between the thermal and mechanical properties of the high temperature thermal- treated carbon nanotube yarns (2020)
  • 著者名/発表者名: 13.R. Shikata, Y. Shigeeda, H. Inoue, H. Suzuki, W. Yajima, T. Nakagawa, T. Nishikawa, Y. Yamashita, Y. Hayashi, M. Hada
  • 学会等名: 第60回 フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [学会発表] Improving of dry-spinnability of carbon nanotube arrays by Fe-Gd catalyst (2019)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Nakagawa, Hirotaka Inoue, Takeshi Nishikawa, Yoshifumi Yamashita, Yasuhiko Hayashi
  • 学会等名: OptoX-NANO 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Dry-drawable few-walled carbon nanotube forest synthesized by chemical vapor deposition (2019)
  • 著者名/発表者名: Hirotaka Inoue, Tomohiro Nakagawa, Masaki Hada, Takeshi Nishikawa, Yoshifumi Yamashita, Yasuhiko Hayashi
  • 学会等名: OptoX-NANO 2019
  • 国際学会
• [学会発表] ポストテンショニング処理によるカーボンナノチューブ紡績糸の高強度化 (2019)
  • 著者名/発表者名: 井上寛隆，中川智広，西川亘，山下善文，林靖彦
  • 学会等名: 019年 第46回 炭素材料学会年会
  • 国際学会
• [学会発表] Effect of defect on structural and optical properties in methyl-ammonium lead iodide (MAPI) perovskite via first principles calculations (2018)
  • 著者名/発表者名: Abudullah Al Asad, Keiichi Mitani, Atsushi Ishikawa, Kenji Tsuruta
  • 学会等名: The 9th International Conference on Multiscale Materials Modeling
  • 国際学会
• [学会発表] Characterization of Σ5 Grain Boundary of Methyl-Ammonium Lead Triiodide Perovskite using Density Function Theory (2018)
  • 著者名/発表者名: Abudullah Al Asad, Kenji Tsuruta
  • 学会等名: 第28回日本MRS年次大会
• [学会発表] 高紡績性CNT合成に向けた合成温度条件とアレイ密度の制御 (2018)
  • 著者名/発表者名: 井上寛隆, 中川智広，吉山貴之，羽田真毅，西川亘，山下善文，林靖彦
  • 学会等名: 2018年度 応用物理・物理系学会 中国四国支部合同学術講演会
• [学会発表] 化学気相成長法を用いたCNT合成における合成温度条件がアレイ密度と紡績性に及ぼす影響 (2018)
  • 著者名/発表者名: 井上寛隆, 中川智広，羽田真毅，西川亘，山下善文，林靖彦
  • 学会等名: 2018年 第79回 応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] (2)Effects of heat-generation and transport in coil-shaped soft-actuators consisting of polymer threads and carbon nanotube yarns (2018)
  • 著者名/発表者名: Hirotaka Inoue, Takayuki Yoshiyama, Masaki Hada, Daiki Chujo, Yoshitaka Saito, Takeshi Nishikawa, Yoshifumi Yamashita, Wataru Takarada, Hidetoshi Matsumoto, Yasuhiko Hayashi
  • 学会等名: 19th International Conferende on The Science and Application of Nanotubes and Low-Dimensional Materials
  • 国際学会
• [備考] 岡山大学林靖彦研究室
  • URL: https://hayashi-lab.org/