高配向ナノチューブとグラフィン結合技術を用いた超軽量高強度カーボン材料の創製

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フッ素化度合いの違いが脱フッ素化多層カーボンナノチューブ（multi-walled carbon nanotubes:MWCNTs）繊維の破断の仕方と機械特性に影響を与えることを明らかにした。具体的にはMWCNT繊維をフッ素化力が高いフッ素ガスまたは弱いフッ化水素酸を用いてフッ素化した後、アルゴンガスフロー下で800℃アニールにより脱フッ素化した。脱フッ素化繊維の機械特性とMWCNTs破断の様子を引張試験と走査型および透過型電子顕微鏡観察によって評価した。隣接するMWCNTsの滑りが、フッ化水素酸処理した繊維では抑制されなかった一方でフッ素ガス処理した繊維では抑制されることを明らかにした。フッ素ガス処理と脱フッ素化条件を改善することで、フッ素化前と比較して4.6倍の1.1 N/texの比強度を持つ脱フッ素化繊維の作製に成功した。この脱フッ素化繊維の破断部分では、7～12の層を持つMWCNTsが全層で破断しており、ナノチューブ間だけでなくMWCNT層間の滑りも抑制されたことを明らかにした。既存のグラフィン界面結合技術は結晶中に格子欠陥を導入するためグラフィン自体の機械特性が低下する。これに対して本手法は格子欠陥を導入することなく界面を結合できるという新しい特徴を持つ。また、本研究の脱フッ素化繊維は曲率半径1.6μmで90°まで曲げても破断せず、既存の商業用炭素繊維には無い高い柔軟性を持つ。これは鋭利な刃物を用いても繊維が切れにくいことを示す。微細な傷によって機械特性が大きく低下する炭素繊維に替わって航空機などにおいて信頼性が高い軽量高強度材料としての応用が期待される。本成果の意義は、1.1 N/texより高い比強度を持つカーボンナノチューブにおいて本グラフェン界面結合技術を用いることでナノチューブ1本の機械特性と同等の特性を持つマクロスケールの繊維を創製できることである。