| 研究課題/領域番号 |
26289267
|
|---|
| 研究機関 | 東北大学 |
|---|
研究代表者 |
川崎 亮 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (50177664)
|
|---|
| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2017-03-31
|
| キーワード | カーボンナノチューブ / 複合材料 / 界面反応相 / 均一分散 / 軽量高強度 |
|---|
| 研究実績の概要 |
本研究は、カーボンナノチューブ(CNT)を、アルミニウム(Al)マトリックス中に一次元的に均一に配向分散させ、しかも、高延性を保って伸線して細線化した後に、Al/CNT界面を意図的に制御することによって、有効な荷重伝達による高強度化、かつ、良好な密着界面による高電導率化を同時に達成するプロセスを世界に先駆けて示すもので、界面制御法の学術的説明とそのメカニズムを明らかにすることを目的としている。CNTは極めて高強度(50GPa以上)であるため、数vol%のCNTの含有量でAlの約4倍の引張強度、加えて、Alと同等以上の電気伝導率が期待できる。提案する革新的軽量高強度Al/CNT線材は、従来の銅電線と置き替えることを可能とし、低炭素化社会の実現に必須な輸送機器の軽量化や電力送電ロスの低減に極めて有効であり、また銅資源問題にも大きく貢献することができる。
平成２７年度は、前年度の成果を踏まえ、まず、Al/CNT焼結体を熱間押出し・熱間線引きによりCNTの損傷を抑えて伸線してAlマトリックス中にCNTが均一に極めて良く配向した複合材料を作製し、次に、熱処理によって意図的にCNT/Al界面に適量のナノ炭化物を形成させ、荷重伝達効果を大きくすることで4倍以上の高強度化を試みた。
TEMにより炭化物の有無を確認し、ラマン分光法CNTの損傷の程度を明らかにし、また、引張試験を行い荷重-変位応答を調べ、Al/CNT界面の荷重伝達特性を明らかにした。
非常によく一次元配向しているCNT表面のナノ欠陥部へナノ炭化物（Al4C3）を選択的に形成するための熱処理条件の最適化を行い、TEM 観察によってAl4C3の生成場所、成長結晶面や成長方向などの形成メカニズムを明らかにした。
|
| 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
まず、CNTの酸処理を行い、CNT表面への官能基の修飾およびナノ欠陥の形成について調べ、ナノ欠陥は酸処理時間によって溝型から円周型、その後グラフェンナノリボンと短小CNT化へと変化することを示した。また、エタノール中での分散性とナノ欠陥量を考慮した酸処理条件を提案した。
次に、酸処理したCNTとAl粉末をヘテロ凝集させCNT/Al混合粉末を作製し、混合粉末をパルス通電加圧焼結および熱間押し出しにより、CNTが一次元に均一に配向分散した緻密なCNT/Al複合材料を作製した。CNTとAlマトリックスは直接接触し、Al4C3等の無い清浄な界面を形成していることを明らかにした。ラマン分光法による解析がCNTの損傷が少ないおとを確認した。熱処理により、Al4C3炭化物を形成し、その効果を検討した。CNT-Al複合材料におけるCNT、Al4C3、Al間の結晶方位関係は、CNTの(002)とAl4C3の(003)、Alの低指数面が並行となることが明らかとなった。CNT/-Al複合材料においては、Al原子の拡散によってCNTのナノ欠陥部や開端部からAl4C3が形成され、さらにCNT内部および軸方向に拡散していると考えられる。Al4C3を形成した0.6,1.0vol.%CNT-Al複合材料のCTEは、Schneider's modelで予想される範囲に入ることが確認され、Al4C3の形成によってCNT/Al界面における荷重伝達効率が向上した。また、Al4C3を形成した複合材料に対して繰り返し熱負荷をかけて熱膨張挙動を観察した結果、熱処理前の試料で見られた熱膨張挙動におけるヒステレシスは観察されなかったことから、Al4C3の形成によってCNT/Al界面における微小な滑りが減少していると考えられ、荷重伝達効果の向上を裏付けた。
|
| 今後の研究の推進方策 |
平成２８年度は、まず、CNTが均一に極めて良く配向したAl/CNT複合線材に対してKelly-TysonのShear-Lagモデルを適用して引張強度を推定する。次に、実験結果と比較することにより、荷重伝達に対する界面制御の効果について詳細に検討する。その結果から意図的に適量のナノ炭化物を形成したAl/CNT界面によって荷重伝達効率が改善され、Alの引張強度の数倍の強度になることを明らかにする。さらに、ナノ炭化物の形成は、CNTの表層に加えて内部のグラフェン面の利用を可能性にすることを明らかにする。以上から、耐荷重、電気伝導性など、CNTの優れた機械的・物理性質の有効利用性を示し、銅電線代替の要求特性を満し得ることを明らかにする。
最終年度であり、本研究を総括する。
|
| 次年度使用額が生じた理由 |
1本のCNTをAlマトリックスから引き抜く試験を考えていたが、試験装置に不具合が生じ、その修理・調整のために、試験を平成28年に先送りとしたため。
|
| 次年度使用額の使用計画 |
CNTの引き抜き試験は、走査電子顕微鏡内に設置されたマイクロマニピュレーションシステムによって実施される。この時タングステン製のカンチレバーの先にCNTを接着させ、片持はりの原理により引き抜く。この精密なカンチレバーの購入に使用する。高精度な特注品であり、それに相当する額を繰り越している。
|
