多層CNTの構造制御：多層CNTは繊維強化プラスチックの強化要素となりうるか？

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15H05502
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 山本 剛 東北大学, 大学院工学研究科, 准教授 (30436159)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: カーボンナノチューブ / 構造制御 / 複合材料 / 分子動力学

研究実績の概要

平成29年度は、平成27-28年度に得られた知見をもとに、「多層CNTは繊維強化プラスチックの強化要素となりうるか？」の命題に対して明確な答えを提示することを目的として、3つの研究課題を引き続き検討を行った。
(課題1)MWCNTの潜在ポテンシャル強度の解明と目指すべきナノ構造の発見：最外層に空孔欠陥を有するMWCNTの破壊様式ならびに力学的特性に及ぼす架橋結合密度(総原子数面積当たりの結合数)の影響を分子動力学法により調査した。架橋結合のないMWCNTは、空孔欠陥を起点にき裂が進展し、未欠陥のMWCNTと比べて大幅に公称強度が低下することがわかった。一方、架橋結合を有するMWCNTは、最外層に負荷した荷重を内層のCNTが荷重を担持することに起因して、架橋結合のないMWCNTと比べて公称強度が向上することがわかった。
(課題2)配向MWCNTの構造制御と破壊特性評価：CVD法で合成した異なるナノ構造を有する2種類のMWCNTの強度・破壊特性に及ぼす熱処理の影響を調査した。Raman分光法ならびにTEM観察にて測定した高い結晶性を有するMWCNTでは、熱処理を施しても強度ならびにヤング率の向上は認められなかった。一方、結晶性の低いMWCNTでは、約4倍程度の公称強度の向上が図られることがわかった。
(課題3)MWCNTRP複合材料の創製と設計指針の構築：本研究で作製した複合材料のMWCNT添加量の増加に伴う破断ひずみの低下傾向は、理論解析により得られた界面剥離が進展するひずみの値の低下傾向と概ね一致していることがわかった。加えて、複合材料の破断ひずみはMWCNT単味のそれ比べて低いことから、MWCNTの多重破断が発生する前に、界面の低い滑り抵抗に起因して、MWCNTの引き抜け挙動を伴う主き裂が発生したことが示された。

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。

研究成果

• [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 ページ: 印刷中
  • DOI: 10.1299/transjsme.16-00283
  • 査読あり
• [雑誌論文] Key factors limiting carbon nanotube strength: Structural characterization and mechanical properties of multi-walled carbon nanotubes (2017)
  • 著者名/発表者名: Keiichi Shirasu, Itaru Tamaki, Takamichi Miyazaki, Go Yamamoto, Raman Bekarevich, Kaori Hirahara, Yoshinobu Shimamura, Yoku Inoue, Toshiyuki Hashida
  • 雑誌名: Mechanical Engineering Journal 巻: 4 ページ: 17-00029
  • DOI: 10.1299/mej.17-00029
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of large-movements and high-force electrothermal bimorph actuators based on aligned carbon nanotube reinforced epoxy composites (2017)
  • 著者名/発表者名: Keiichi Shirasu, Go Yamamoto, Yoku Inoue, Toshio Ogasawara, Yoshinobu Shimamura, and Toshiyuki Hashida
  • 雑誌名: Sensors and Actuators A: Physical 巻: 267 ページ: 455-463
  • DOI: 10.1016/j.sna.2017.10.051
  • 査読あり
• [学会発表] Evaluation of fracture and mechanical properties of carbon nanotubes by means of uniaxial tensile testing method (2018)
  • 著者名/発表者名: Keiichi Shirasu, Luqman Hakim Bin Mat Yusoff , Go Yamamoto, Toshiyuki Hashida
  • 学会等名: 1st CUHK-TU Joint Workshop on Advanced Materials and Manufacture
  • 国際学会
• [学会発表] 一軸引張り試験によるカーボンナノチューブの変形・破壊特性の評価に関する研究 (2018)
  • 著者名/発表者名: Luqman Hakim Bin Mat Yusoff，白須圭一，山本剛，橋田俊之
  • 学会等名: 日本機械学会東北学生会第48回学生員卒業研究発表講演会
• [学会発表] Evaluation of carbon nanotube strength for application to composite materials (2017)
  • 著者名/発表者名: Keiichi Shirasu, Go Yamamoto, Toshiyuki Hashida
  • 学会等名: 13th International Conference and Exhibition on Advanced Materials and Nanotechnology
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Friction and wear properties of carbon nanotube/alumina composites under water lubricated conditions (2017)
  • 著者名/発表者名: Keiichi Shirasu, Takuto Miyaura, Go Yamamoto and Toshiyuki Hashida
  • 学会等名: 21th International Conference on Composite Materials
• [図書] Carbon Nanotubes- Recent Progress (2018)
  • 著者名/発表者名: Keiichi Shirasu, Go Yamamoto, Daniel Nelias，Toshiyuki Hashida
  • 総ページ数: in press
  • 出版者: InTech open access publisher
  • ISBN: 978-953-51-5707-6
• [備考] 山本研究室のwebページ
  • URL: http://www.plum.mech.tohoku.ac.jp/yamamoto_lab/index.html