2016 Fiscal Year Annual Research Report
Development of Innovative Ultra-Light Weighted and High Strength Composite using Densified Untwisted CNT
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15H03895
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
川田 宏之 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (20177702)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
荒尾 与史彦 東京工業大学, 物質理工学院, 助教 (40449335)
細井 厚志 早稲田大学, 理工学術院, 助手 (60424800)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | カーボンナノチューブ / ポリマー複合 / 黒鉛化処理 / 混酸処理 / 分子動力学解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では世界最高強度を有するカーボンナノチューブ（CNT）無撚糸の創製を目標としている．CNT無撚糸を強化材としてポリマーと複合化することで軽量高強度複合材料を成形し，その機械的特性を評価した．CVD法でシリコン基板上に垂直成長したCNTフォレストから微細径のダイスを通して多数本の多層CNT（MWCNT）を直径30～50ミクロン程度に束ねた連続強化繊維を作製した．
本年度はポリマーとの複合化に伴う無撚CNT糸の高強度化要因の解明を目的して，機械的特性の実験的評価と分子動力学解析を行った．無撚CNT糸はPAA（ポリアクリル酸）などのポリマーと複合化することで機械的特性が2倍以上向上し，強度は最大2.4 GPaに達した．一方，不活性ガス環境下，2800℃で黒鉛化処理を行った高純度無撚CNT糸を用いた場合，ポリマーとの複合化に伴う機械的特性の向上効果はほぼ確認されなかった．無撚CNT糸は黒鉛化によってCNT表面の官能基を失っており，90℃の濃硫酸/濃硝酸の混酸に浸漬させ官能基を再付与することで強度向上効果を得た．
ポリマー複合CNT糸における強度向上要因を明らかにするため，分子動力学法による無撚CNT糸の引張シミュレーションを行った．解析の結果，無撚CNT糸をポリマーと複合化することでCNT間に作用する分子間力が高まり，糸のマクロな強度が増大することが明らかとなった．また，作用する分子間力はファンデルワールス力を基本として，CNTとポリマー間の水素結合であることを示した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では高強度無撚CNT糸および高強度CNT/ポリマー複合糸の創製を目的としている．本年度までに，無撚CNT糸を紡績して密度状態の制御や不活性ガス下，2800℃の高純度化処理によって糸の機械的特性を向上させている．また，PAAなどのポリマーと複合化することで，最大強度2.4 GPa，ヤング率200 GPaの結果を得ている．当初の計画通りに機械的特性の向上に成功しており，研究の進捗状況としておおむね順調といえる．また，複合化による大幅な強度増大にはCNT表面および導入ポリマー側鎖の官能基や水素結合が不可欠であることを実験結果と解析結果の両面から明らかにしており，さらなる高強度化の知見を得ている．
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| Strategy for Future Research Activity |
これまで無撚CNT糸の機械的特性の向上にはポリマーとの複合化が効果的であることを示し，CNT間の分子間力の増大が高強度化の要因であることを明らかにした．本年度は無撚CNT糸の強度に及ぼすCNT単体の機械的特性の影響を明らかにする．
CNT/ポリマー複合糸は静的引張荷重負荷下において糸を構成しているCNTが破断することで糸の全体破断に達する．したがって，無撚CNT糸のマクロな強度はCNT単体の機械的特性に強く依存すると予想される．そこで，無撚CNT糸を構成するCNT単体のSEM内その場観察引張試験を行い，機械的特性の評価を行う．合成ままのCNTおよび黒鉛化CNTの結晶性や寸法の変化がCNT単体強度に及ぼす影響を評価する．また，糸のマクロな強度へのCNT単体強度の影響を明らかにし，高強度CNT糸創製の知見を得る．
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Research Products
(8 results)
