蘇州ナノが発表したカーボンナノチューブ繊維研究の概要

カーボンナノチューブは潛在力の大きいスーパー材料であり,將來の超強(qiáng)構(gòu)造とカーボンベース半導(dǎo)體素子を構(gòu)築する理想的なコア基礎(chǔ)材料である。カーボンナノチューブをマクロ體(例えば、繊維、フィルム、発泡體など)に組み立てることは、カーボンナノチューブのマクロ応用を?qū)g現(xiàn)する重要な方法の一つである。

カーボンナノチューブ繊維は、単獨(dú)で使用できるだけでなく、2次元フィルムまたは3次元編成構(gòu)造を編成することによって形成することができ、最も注目されるカーボンナノチューブマクロ體となるカーボンナノチューブの1次元連続組立體である。ここ20年來,カーボンナノチューブ繊維の連続紡糸プロセスの開発に力を入れ,カーボンナノチューブ繊維のプロセス?構(gòu)造?性能関係を明らかにし,カーボンナノチューブ繊維のエンジニアリング応用などを開発してきた。

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既存の多くの研究により、カーボンナノチューブ繊維は構(gòu)造機(jī)能一體化複合材料、繊維狀エネルギーデバイス、人工筋肉及び軽質(zhì)導(dǎo)電ケーブルなどの面で非常に広範(fàn)な応用見通しがあることが明らかになった。しかし殘念なことに、ナノスケールの単一カーボンナノチューブからマクロスケールのカーボンナノチューブ繊維まで、カーボンナノチューブが力、電気、熱などの性能で発揮する効率は10%未満であり、カーボンナノチューブ繊維のエンジニアリング応用を制限している。カーボンナノチューブ繊維のプロセス‐構(gòu)造‐性能関係の理解と明確化はカーボンナノチューブ繊維の性能をさらに向上させる鍵である。

中國科學(xué)院蘇州ナノ技術(shù)とナノシミュレーション研究所の李清文研究員チームは2007年に設(shè)立されて以來、カーボンナノチューブ繊維分野で大量の基礎(chǔ)研究と応用開発を展開している。最近、同チームは「先進(jìn)材料」(Advanced Materials)定期刊行物に招待され、総括的な文章(DOI:10.1002/adma.201902028)を執(zhí)筆し、過去20年間にカーボンナノチューブ繊維の基本物性研究の面で展開された仕事を振り返り、カーボンナノチューブ繊維の未來の発展の鍵を展望した。

カーボンナノチューブ繊維の発展過程を振り返ると、中國は國際的に早くカーボンナノチューブ繊維研究を展開していることがわかる。2000年、フランスの科學(xué)者は初めて濕式紡糸技術(shù)を通じて、カーボンナノチューブの含有量が50%以上に達(dá)する連続繊維材料を調(diào)製することを報(bào)告し、カーボンナノチューブ繊維研究の幕を開けた。2002年、清華大學(xué)の呉徳海教授チームとアメリカのレンスラー工科大學(xué)のP.M.Ajayan教授が協(xié)力し、直徑約300~500ミクロンの炭素ナノチューブビームをフローティング化學(xué)蒸著法で作製し、その長さは20センチに達(dá)したことを初めて報(bào)告した。同年、清華大學(xué)の範(fàn)守善教授チームはカーボンナノチューブアレイから糸を引いてカーボンナノチューブ繊維を調(diào)製する方法を初めて報(bào)告した。2004年、中國の科學(xué)者李亜利はイギリスのケンブリッジ大學(xué)を訪問した間、Alan Windle教授と協(xié)力し、フローティング觸媒化學(xué)蒸著法によるカーボンナノチューブ繊維の連続調(diào)製を?qū)g現(xiàn)した。その間、米國の科學(xué)者は濕式法による純カーボンナノチューブ繊維の製造プロセスを報(bào)告した。2018年、清華大學(xué)の魏飛教授チームはセンチメートル級カーボンナノチューブの管束を報(bào)告し、その強(qiáng)度は80 GPaに達(dá)した。全體的に見ると、2000年ごろ科學(xué)者がカーボンナノチューブのマクロスケールでの繊維組立を?qū)g現(xiàn)することに成功してから、カーボンナノチューブ繊維の研究は急速に興り、20年の発展の中で大體3つの発展段階を経験した:(1)カーボンナノチューブ繊維紡糸方法の探索段階--凝固過程に基づく濕式紡糸、カーボンナノチューブ垂直アレイを用いた糸引き紡績及び成長過程に基づいてカーボンナノチューブゲルを予め形成した直接紡績は、現(xiàn)在最も主要な製造方法となっている。(2)カーボンナノチューブ繊維マクロの連続調(diào)製、基本性能の向上及び機(jī)能特性の開発の急速な発展段階;(3)現(xiàn)在のカーボンナノチューブ繊維の発展はすでに産業(yè)応用の難関段階に入っており、どのように硬骨をかじるかは科學(xué)研究者と産業(yè)界の共同努力が必要である。

異なる紡糸法に基づいて,カーボンナノチューブ繊維は極めて豊富な組立構(gòu)造を示した。その微細(xì)構(gòu)造に比べて,カーボンナノチューブの繊維中の配向度,密著度,絡(luò)み合い度は,繊維徑方向の分布の違い,表面形態(tài)などの構(gòu)造特性が繊維の巨視的物性をより決定した。さらに重要なのは、繊維組立構(gòu)造を改善した上で、管間の力、電気、熱の伝達(dá)を効果的に制御すれば、繊維性能を向上させ、単一ナノチューブの性能を十分に発揮する鍵である。

この研究進(jìn)展の総括では,著者らはカーボンナノチューブ繊維の力,電気,熱特性をそれぞれ全面的に述べた。力學(xué)的性質(zhì)の面では、現(xiàn)在、溶媒緻密化、機(jī)械的緻密化、段階的牽引、繊維內(nèi)導(dǎo)入ポリマーネットワーク構(gòu)造、管間誘導(dǎo)共有結(jié)合などの方法により、繊維破壊強(qiáng)度と弾性率の著しい向上を?qū)g現(xiàn)することができる。一方、繊維內(nèi)の極めて豊富な界面構(gòu)造は多様化したエネルギー散逸過程をもたらし、カーボンナノチューブ繊維(およびフィルムと複合材料)に従來の炭素繊維には備わっていない減衰、クリープなどの動的力學(xué)的特性を示し、柔軟で優(yōu)れた二機(jī)能結(jié)合を?qū)g現(xiàn)した。また、繊維の糸構(gòu)造や獨(dú)特の柔軟性は、回転駆動、バイオ電極などの分野で獨(dú)特の優(yōu)位性を示している。

カーボンナノチューブ繊維はやはり優(yōu)れた「導(dǎo)」體である。導(dǎo)電特性において、ドーピング手段により管間電子遷移チャネルを広げた後、繊維は比伝導(dǎo)率性能において金屬導(dǎo)體の限界を超えることが期待され、軽量化導(dǎo)線方向に発展の優(yōu)位性を示した。一方,金屬との複合により,カーボンナノチューブの急速熱伝導(dǎo)性能に基づいて,複合導(dǎo)體の限界キャリア能力を大幅に向上させることができ,將來の超大電流の応用において従來の金屬導(dǎo)體に取って代わることが期待される。熱伝導(dǎo)特性では,繊維表面の熱放射が特に顕著であるため,実際の測定では見かけの熱伝導(dǎo)率と実際の熱伝導(dǎo)率との間に大きな差があり,前者は試料サイズの増加と共に急速に発散する。この目的のために,管間フォノン輸送を改善するために繊維構(gòu)造を最適化するほか,試験方法のさらなる発展もカーボンナノチューブ繊維熱伝導(dǎo)研究の重要な內(nèi)容である。

この総説の中で、著者はそれぞれ力、電気、熱性能に関する理論研究を紹介し、未來の繊維性能のさらなる向上と産業(yè)化の実現(xiàn)の基礎(chǔ)は、依然として加工-構(gòu)造-性能の3つの內(nèi)在関係に対する深い認(rèn)識にあると指摘した。カーボンナノチューブの繊維物性はすでに一連の突破があり、デバイス応用は多くの成功を収めたが、繊維の紡糸プロセスを源から再認(rèn)識することは依然として必要である。