カーボンナノチューブ複合材料の設計・合成・評価ループ構築と高機能化に関する研究

2013 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 21226004
• 研究種目: 基盤研究(S)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 機械材料・材料力学
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 橋田 俊之 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40180814)
• 研究分担者: 田路 和幸 東北大学, 大学院環境科学研究科, 教授 (10175474) ; 高木 敏行 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (20197065) ; 小野 崇人 東北大学, 大学院工学研究科, 教授 (90282095) ; 胡 寧 千葉大学, 大学院工学研究科, 教授 (60250685) ; 大森 守 東北大学, 大学院工学研究科, 技術補佐員 (30005954) ; 山本 剛 東北大学, 大学院工学研究科, 助教 (30436159)
• 研究期間 (年度): 2009-05-11 – 2014-03-31
• キーワード: カーボンナノチューブ / 複合材料 / 材料設計・プロセス・評価 / 焼結 / 機械・電気的特性 / 強度・破壊靭性 / トライボ特性 / 電波吸収特性

研究概要

本研究では，セラミックスの実用展開を促進することを目的として，多層カーボンナノチューブ(MWCNT)を配合したアルミナ複合材料を対象とする作製ならびに特性評価に関する研究を行った．これまで障壁であったMWCNTの凝集・クラスター化を克服し，MWCNTをアルミナマトリックス中に一様に分散させる方法を見出すとともに，無加圧焼結法により緻密で世界トップの強度・破壊靭性特性を有する複合材料を作製することに成功している．また，試作した複合材料は機械的特性に加えて優れた摩擦・摩耗特性，電気伝導特性，電磁波吸収特性を有していることを示し，実用化のための基礎を提供している．

研究成果

• [雑誌論文] Structure-property relationships in thermally-annealed multi-walled carbon nanotubes (2014)
  • 著者名/発表者名: G. Yamamoto, K. Shirasu, Y. Nozaka, Y. Sato, T. Takagi, T. Hashida
  • 雑誌名: Carbon 巻: Vol.66 ページ: 219-226
  • DOI: 10.1016/j.carbon.2013.08.061
  • 査読あり
• [雑誌論文] Pull-out simulations of a capped carbon nanotube in carbon nanotube-reinforced nanocomposites (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Li, S. Liu, N. Hu, X. Han, L. Zhou, H. Ning, L. Wu, Alamusi, G. Yamamoto, C. Chang, T. Hashida, S. Atobe, H. Fukunaga
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: Vol.113(14) ページ: 144304-1-144304-7
  • DOI: 10.1063/1.4800110
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of Pressureless Sintering Method for Carbon Nanotube/Alumina Composites and Their Microstructure-Property Relationships (2013)
  • 著者名/発表者名: G. Yamamoto, K. Shirasu, Y. Nozaka, T. Nakamura, T. Hashida
  • 雑誌名: Journal of Solid Mechanics and Materials Engineering 巻: Vol.7, No.3 ページ: 394-402
  • DOI: 10.1299/jmmp.7.394
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fabrication of CNT-carbon composite microstructures using Si micromolding and pyrolysis (2013)
  • 著者名/発表者名: L. He, M. Toda, Y. Kawai, H. Miyashita, M. Omori, T. Hashida, R. Berger, T. Ono
  • 雑誌名: Microsystem Technologies 巻: (online)
  • DOI: 10.1007/s00542-013-1771-6
  • 査読あり
• [雑誌論文] Prediction of Pull-out Force of Multi-walled Carbon Nanotube (MWCNT) in Sword-in-sheath Mode (2012)
  • 著者名/発表者名: G. Yamamoto, S. Liu, N. Hu, T. Hashida, Y. Liu, C. Yan
  • 雑誌名: Computational Materials Science 巻: Vol.60 ページ: 7-12
  • DOI: 10.1016/j.commatsci.2012.03.016
  • 査読あり
• [雑誌論文] Influence of the structure of the nanotube on the mechanical properties of binder-free multi-walled carbon nanotube solids (2012)
  • 著者名/発表者名: Y. Sato, H. Nishizaka, S. Sawano, A.Yoshinaka, K. Hirano, S. Hashiguchi, T. Arie, S. Akita, G.Yamamoto, T. Hashida, H. Kimura, K. Motomiya, K. Tohji
  • 雑誌名: Carbon 巻: Vol.50 ページ: 34-39
  • DOI: 10.1016/j.carbon.2011.07.047
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effect of defects on fracture strength of graphene sheets (2012)
  • 著者名/発表者名: M. Wang, C. Yan, L. Ma, N. Hu, M. Chen
  • 雑誌名: Computational Materials Science 巻: Vol.54 ページ: 236-239
  • DOI: 10.1016/j.commatsci.2011.10.032
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nanotube fracture during the failure of carbon nanotube/alumina composites (2011)
  • 著者名/発表者名: G. Yamamoto, K. Shirasu, T. Hashida, T. Takagi, J. Suk, J. An, R. Piner. R. Ruoff
  • 雑誌名: Carbon 巻: Vol.49 ページ: 3709-3716
  • DOI: 10.1016/j.carbon.2011.04.022
  • 査読あり
• [雑誌論文] Investigation on CNT/alumina interface properties using molecular mechanics simulations (2011)
  • 著者名/発表者名: S. Liu, N. Hu, G. Yamamoto, Y. Cai, Y. Zhang, Y. Liu, Y. Li, T. Hashida, H. Fukunaga
  • 雑誌名: Carbon 巻: Vol.49 ページ: 3698-3704
  • DOI: 10.1016/j.carbon.2011.04.059
  • 査読あり
• [雑誌論文] Molecular mechanics simulation of the sliding behavior between nested walls in a multi-walled carbon nanotube (2010)
  • 著者名/発表者名: Y. Li, N. Hu, G. Yamamoto, Z. Wang, T. Hashida, H. Asanuma, C. Dong, T. Okabe, M. Arai, H. Fukunaga
  • 雑誌名: Carbon 巻: Vol.48 ページ: 2934-2940
  • DOI: 10.1016/j.carbon.2010.04.031
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of sintering additive on mechanical properties of alumina matrix composites reinforced with carbon nanotubes (2010)
  • 著者名/発表者名: G. Yamamoto, M. Omori, T. Hashida, H. Kimura, T. Takagi
  • 雑誌名: Journal of Solid Mechanics and Materials Engineering 巻: Vol.4 ページ: 460-469
  • DOI: 10.1299/jmmp.4.460
  • 査読あり
• [雑誌論文] Investigation on sensitivity of a polymer/carbon nanotube composite strain sensor (2010)
  • 著者名/発表者名: N. Hu, Y. Karube, M. Arai, T.Watanabe, C. Yan, Y. Li, Y. Liu, H. Fukunaga
  • 雑誌名: Carbon 巻: Vol.48 ページ: 680-687
  • DOI: 10.1016/j.carbon.2009.10.012
  • 査読あり
• [学会発表] Fabrication and mechanical evaluation of aligned multi-walled carbon nanotube sheet/alumina laminated ceramic composites (2014)
  • 著者名/発表者名: G. Yamamoto, K. Shirasu, Y. Nozaka, Y. Shimamura, Y. Inoue, T. Hashida
  • 学会等名: 16th European Conf. on Composite Materials
  • 発表場所: Seville, Spain
  • 年月日: 20140622-26
• [学会発表] Significance of Nano-Scale Experimental Techniques for Development of Carbon Nanotube Reinforced Ceramics Matrix Composites (2013)
  • 著者名/発表者名: G. Yamamoto and T. Hashida
  • 学会等名: 8th Int. Sympo. on Advanced Science and Technology in Experimental Mechanics
  • 発表場所: Sendai, Japan
  • 年月日: 20131103-06
  • 招待講演
• [学会発表] Fabrication and Evaluation of Carbon Nanotube/Alumina Composites By Precursor Method (2012)
  • 著者名/発表者名: K. Shirasu, G. Yamamoto, Y. Nozaka, M. Omori, T. Hashida
  • 学会等名: 15^<TH> European Conf. on Composite Materials
  • 発表場所: Venice, Italy
  • 年月日: 20120624-28
• [学会発表] Effects of Carbon Nanotube Strength on Mechanical Properties of Carbon Nanotube/Alumina Composites Prepared by Pressureless Sintering (2011)
  • 著者名/発表者名: G. Yamamoto, K. Shirasu, T. Takagi, T. Hashida
  • 学会等名: NT11 Int. Conf. on the Science and Application of Nanotubes
  • 発表場所: Cambridge, UK
  • 年月日: 20110711-16
• [学会発表] Evaluation of load transfer properties in carbon nanotube-alumina composites using single fiber pullout experiments (2010)
  • 著者名/発表者名: G. Yamamoto, T. Hashida, T. Takagi, J. Suk, J. An, R. Piner, R. Ruoff
  • 学会等名: 11^<th> Int. Conf. on the Science and Application of Nanotubes
  • 発表場所: Montréal, Canada
  • 年月日: 20100627-0702
• [学会発表] Development of carbon nanotube reinforced ceramic matrix composites and their applications (2010)
  • 著者名/発表者名: T. Hashida, G. Yamamoto, M. Omori, Y. Aizawa, H. Kimura
  • 学会等名: The 4th Int. Sympo. on Advanced Mechatronics Engineering
  • 発表場所: Changwon, Korea
  • 年月日: 20100107-09
• [図書] ノチューブ・グラフェン分散技術の工業化と機能展開一溶液・ポリマー・金属・セラミックスへの分散一 (2014)
  • 著者名/発表者名: 山本剛、白須圭一、野坂陽、Weili Wang、橋田俊之
  • 総ページ数: 60-67 (第2章,第5節)
  • 出版者: S&T出版株式会社
• [図書] エレクトロニクス用途におけるコンポジット材料の混練・コンパウンド技術と分散・界面制御 (2013)
  • 著者名/発表者名: 山本剛,白須圭一,橋田俊之
  • 総ページ数: 658-663 (第10章,第3節)
  • 出版者: (株)技術情報協会
• [図書] Composites and Their Properties (2012)
  • 著者名/発表者名: G. Yamamoto and T. Hashida
  • 総ページ数: 483-502 (Chapter 21)
  • 出版者: InTech-Open Access Publisher
  • URL: http://dx.doi.org/10.5772/48667
• [図書] Carbon Nanotubes : New Research (2009)
  • 著者名/発表者名: N. Hu, Z. Masuda, H. Fukunaga
  • 総ページ数: 175-222 (Chapter 7)
  • 出版者: Nova Science Publishers, Inc
• [備考] ①本研究課題の成果の全般を公表するために設置したURL
  • URL: http://www.rift.mech.tohoku.ac.jp/hashida-lab/cnt-kakenhi
• [備考] ②電気特性応用に関する千葉大学における成果を公表
  • URL: http://www.em.eng.chiba-u.jp/~lab2/hu/index.html
• [備考] ③東北大学研究活動紹介のホームページで本研究内容を公表
  • URL: http://www.rpip.tohoku.ac.jp/seeds/profile/31/lang:jp//
• [備考] 東北大学研究シーズ集に「高機能カーボンナノチューブーアルミナ複合材料の開発」の題目で本研究課題の内容を記載している.(2012年3月発行) パンフレット等
• [備考] ①ナノテクフェア2013」ブース出展,平成25年1月30日-2月1日,東京ビッグサイト 公開・展示等
• [備考] ②「第11回国際ナノテクノロジー総合展・技術会議」講演とブース出展,平成24年2月15日-2月17日,東京ビッグサイトなど,計7回のブース出展による公表を行っている. 公開・展示等
• [備考] 本研究メンバーの若手研究者による受賞7件(日本機械学会奨励賞等)ならびに指導学生による受賞12件(日本機械学会材料力学部門優秀講演表彰等)にみられるように,次世代の研究者養成に貢献している. 受賞等
• [産業財産権] 高機能複合材料およびその製造方法 (2013)
  • 発明者名: 大森守,橋田俊之,木村久道,大久保昭,井上明久
  • 権利者名: 国立大学法人東北大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特許第5366193
  • 取得年月日: 2013-09-20
• [産業財産権] ナノ複合材料およびナノ複合材料の製造方法 (2011)
  • 発明者名: 大森守、橋田俊之
  • 権利者名: 国立大学法人東北大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2011-256190
  • 出願年月日: 2011-11-24