| 研究課題/領域番号 |
21K04678
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分26030:複合材料および界面関連
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| 研究機関 | 工学院大学 |
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研究代表者 |
屋山 巴 工学院大学, 先進工学部, 助教 (10741514)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2023年度: 390千円 (直接経費: 300千円、間接経費: 90千円)
2022年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円)
2021年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
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| キーワード | ナノコンポジット / 第一原理計算 / 複合材料 / 界面 / 計算物質科学 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究の目的は、CNT/樹脂からなるナノコンポジットの機械的特性の発現機構を界面の原子配置および電子状態に基づいて解明することである。第一原理計算(DFT)、分子動力学手法(MD)などのミクロスケールの理論計算手法を活用する。具体的には、MDによって材料強度に寄与する微視的な界面構造を特定し、これらの構造についてDFT計算を行うことで、強化材/樹脂界面の接合状態を明らかにする。材料全体の強度が生じる機構を、微視的な構造と電子状態に基づいて明らかにすることによって、最終的にナノコンポジットの機械的特性の評価指針を確立、提案する。
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| 研究実績の概要 |
本申請研究では、カーボンナノチューブ(CNT)と樹脂からなる複合材料の機械的特性の発現機構の解明及び向上に向けて、微視的な理論計算手法を用いた解析を行っている。原子スケールで構築したCNTとエポキシ樹脂の界面モデルを用いて、第一原理計算のもとで系の電子状態を調べている。CNTはほかの物質との反応性が著しく低いため、複合化において樹脂との接着性が低いことから、機械的強度を高めることが困難となっている。これに対し、CNTとエポキシの界面接合において、科学的活性の高い点欠陥が重要な役割を果たすと考えてこれに注目している。欠陥のない完全なCNTでは樹脂との結合性が低いのに対し、点欠陥を有するCNTでは、欠陥近傍にエポキシ樹脂が強く結合することが明らかとなった。点欠陥が存在するCNTの強度は、完全なCNTに比べて低下するものの、エポキシ樹脂との化学結合を生じることにより強度が回復することが明らかとなった。すなわち、欠陥をうまく活用することにより、CNT本来の強度を保ちつつ界面接着性を向上させることができる可能性が示唆された。ここで点欠陥とは、CNTの炭素１原子が除去された状態を指し、化学結合に関与していた電子が一部不在となるために、対をなさない余剰電子が存在する状態となる。これに対し、エポキシ樹脂との結合により、系の価電子が過不足なく結合に与ることが強度の回復に寄与していると考えられる。この結果についてはInternational Symposium on Space Technology and Science(ISTS2023)にて報告予定である（accept済み）。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
CNT樹脂からなる複合材料において、界面における点欠陥の役割の重要性を明らかにし、学会でも成果報告を行っている。機械材料においてこれまで検討が不十分であった微視的な観点からの研究によって、長らく問題となっている界面接着性についての知見が得られており、狙い通りに研究が進展していると考えられる。
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| 今後の研究の推進方策 |
古典分子動力学手法を併用することにより、分子数を増やしたより大きな系における界面モデルを構築、研究を進めている。これにより、様々な熱力学環境下（常温、高温、低温、真空などの環境条件）において典型的な界面構造を推定し、より界面接着性および機械的特性が高まる界面構造についての知見を蓄積する予定である。
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