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2019 年度 実施状況報告書

最適構造設計と革新的欠陥修復手法による平均公称強度10GPa超のCNTの創製

研究課題

研究課題/領域番号 19K14837
研究機関東北大学

研究代表者

白須 圭一  東北大学, 工学研究科, 准教授 (20757679)

研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2021-03-31
キーワードカーボンナノチューブ / 熱処理 / 欠陥修復 / 公称強度 / 分子動力学 / 層間架橋結合
研究実績の概要

研究1:分子動力学シミュレーションにより単層および層間架橋結合を導入した2層カーボンナノチューブ(CNT)の引張試験計算を実施した.層間架橋結合を少数導入するとCNTの実強度および公称強度は低下したものの,層間架橋結合数が増加すると2層全てで破断し公称強度が向上することが認められ,同径で無欠陥の単層CNTと同程度の公称強度が得られた.したがって,現時点では,2層CNTの公称強度の最大値は同径の単層CNTと同程度であることを示唆する結果が得られている.

研究2,3:本研究では,エチレンとアルゴンの混合雰囲気下で熱処理を行い炭素原子をCNTに供給することによってCNTの欠陥修復を図った.次に,上記の熱処理を施したCNTに対して2200℃での高温熱処理を行った.得られた試料おいてTEM観察およびラマン分光分析による構造・結晶性の評価を行い,SEM内引張試験により力学特性を評価した.未処理のCNTに比べてエチレン雰囲気下での熱処理および2200℃での高温熱処理を行ったCNTでは公称強度は同程度あるいはわずかな向上が認められた.一方,結晶性およびヤング率は大きく向上した.したがって,エチレンガスを用いた熱処理による炭素原子供給と高温熱処理による炭素原子再配列を組み合わせたCNTの構造制御手法は,機械的特性の向上に効果がある可能性を示した.

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

交付申請書に記載した研究実施計画に対して,研究実績の概要に示す成果を挙げることができており,おおむね順調に進展している.分子動力学計算においては,期間前半で計算条件を決定するまでに時間を要したため,本年度では2層CNTまでの計算に留まった.次年度では3層以上のCNTに対して層間架橋結合数と力学特性との関係を評価する予定である.

今後の研究の推進方策

研究実績概要にも記載したように,熱処理によりCNTの構造制御とそれに起因してヤング率の向上はできているものの依然公称強度の大幅な向上には至っていない.CNTの力学特性向上のためには,熱処理時のエチレン分圧や温度条件の詳細な検討を継続する必要があると考えている.CNTの引張試験は統計的なデータを取得するために十分な試験数と作業時間を要するため,次年度も重点的に実施する予定である.
また,分子動力学計算においては,層数の増大に伴い原子数が増えるために,計算コストが大きくなるために計画的に研究を遂行する必要があると考えている.

次年度使用額が生じた理由

当初CNTの合成を行う予定で出張費および材料費を計上していたが,無償提供の手配ができたために,計算機の導入コストへ割り当てることを検討した.本年度は既に所有していた計算機で研究を遂行できたために全額を使用せず,次年度の予算と合わせて高性能計算機の導入を進める予定としている.

  • 研究成果

    (6件)

すべて 2020 2019 その他

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (3件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] Stack-coating of multishell carbon layers templated with carbon nanotubes2019

    • 著者名/発表者名
      Shirasu Keiichi、Asaoka Miho、Miyazaki Takamichi、Yamamoto Go、Hashida Toshiyuki
    • 雑誌名

      Materials Today Communications

      巻: 21 ページ: 100608~100608

    • DOI

      10.1016/j.mtcomm.2019.100608

    • 査読あり
  • [学会発表] 多層カーボンナノチューブのナノ構造制御を目的とした作製と評価に関する研究2020

    • 著者名/発表者名
      高橋良典,白須圭一,高橋和彦,橋田俊之
    • 学会等名
      日本機械学会東北学生会 第50回卒業研究発表講演会
  • [学会発表] 分子動力学シミュレーションを用いた多層カーボンナノチューブの変形・強度特性評価に関する研究2020

    • 著者名/発表者名
      北山駿介,白須圭一,高橋和彦,橋田俊之
    • 学会等名
      日本機械学会東北学生会 第50回卒業研究発表講演会
  • [学会発表] カーボンナノチューブの力学特性モデリングと積層補修法の開発2019

    • 著者名/発表者名
      白須圭一,山本剛,橋田俊之
    • 学会等名
      日本機械学会 材料力学部門 若手シンポジウム2019
  • [備考] 東北大学橋田研究室ホームページ

    • URL

      http://www.hashidalab.rift.mech.tohoku.ac.jp/

  • [備考] 東北大学山本研究室ホームページ

    • URL

      http://www.plum.mech.tohoku.ac.jp/yamamoto_lab/

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公開日: 2021-01-27  

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