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

2020 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 19K14837
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分18010:材料力学および機械材料関連
• 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 / 欠陥修復 / 層間架橋結合 / 公称強度 / 分子動力学

研究成果の概要

エチレン-アルゴン混合ガス雰囲気下のもとカーボンナノチューブ（CNT）に熱処理を行い，熱分解炭素を吸着させることでCNTの欠陥修復と公称強度の改善を行った．700℃程度の温度と1000Paのエチレン分圧条件で熱処理することにより，CNTの公称強度が10 GPaを超えることが明らかとなった．また，分子動力学シミュレーションにより，層間架橋結合，CNTの実強度および公称強度の関係を評価した．多層CNTの全層で破断するために必要最小限の層間架橋結合を導入することで公称強度が最も大きくなることがわかった．

自由記述の分野

複合材料，材料強度学

研究成果の学術的意義や社会的意義

CNTの紡績糸製造技術が開発されて以降，炭素繊維に代わる高強度繊維材料としての適用が期待されているものの，実際に合成した紡績糸の強度は炭素繊維に及んでいない．本研究ではエチレンガスを熱分解した際に発生する熱分解炭素をCNT表面に吸着させることで合成時に内在する欠陥を修復することで強度特性の改善を行った．紡績糸の強度特性改善のためには，CNT同士の結合も必要ではあるものの，CNT単体の構造制御と強度特性改善が重要な要素である．今後，本技術を紡績糸に対して行うことで，熱分解炭素によるCNT間の界面特性の向上も期待され，高強度紡績糸の開発に有益なものになると考えている．