カーボンナノチューブが材料の強度をどのように再定義しているか
鋼の100倍の強度でありながら、アルミニウムの軽量さは何ですか？ カーボンナノチューブはこれまでに発見された中で最も強力な材料の1つですが、エンジニアはその可能性を最大限に引き出し始めたばかりです。
カーボンナノチューブは炭素の同素体です 、つまり、炭素がとることができるいくつかの可能な原子配列の1つです。 。自然界では、純粋な炭素はグラファイトの形で見られます 、柔らかいフレーク状の固体、またはダイヤモンド 、透明で、最も硬い天然素材です。
カーボンナノチューブは、ダイヤモンドよりもグラファイトと密接に関連しています。グラファイトは非常に柔らかいですが、1原子の厚さのシートに配置された炭素原子の層で構成されています。これらの個々のシートはグラフェンと呼ばれ、カーボンナノチューブは、グラフェンシートをチューブの形に丸めることで得られるものです。 。
グラフェンはそれ自体が注目に値する材料です。カーボンナノチューブのように、それは信じられないほど強い 。 2010年のノーベル物理学賞は、最初に1枚のグラフェンを分離したチームに授与されました。グラフェンは非常に強力であるため、理論的には、1ミリグラムのグラフェンで猫を飼うことができます 。
この架空の「猫のハンモック」は、たった1原子の厚さで、人間の目には完全に見えません。 。カーボンナノチューブは、チューブに配置されたグラフェンの1つまたは複数の層から形成され、非常に強力です。 。
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ノーベルアカデミーの文書によると、グラフェンで作られた1平方メートルのハンモックが「2本の木の間に結ばれると、壊れる前に約4キログラムの重りを置くことができます。したがって、壊れることなく猫を抱くことができるグラフェンからほとんど見えないハンモックを作ることが可能であるはずです。
現在、カーボンナノチューブは主にポリマー複合材料の特性を改善するために使用されています 。カーボンナノチューブは、さまざまな有益な特性を提供できます：
- 非常に高い強度
- 高い強度対重量比
- 高い電気伝導率
- 高い熱伝導率
カーボンナノチューブの特性
他の補強材と比較すると、カーボンナノチューブは他の繊維よりもかなり強力です 繊維強化ポリマー複合材料に使用されます。最近の研究は、傾斜機能ポリマーの開発にも焦点を当てており、カーボンナノチューブが戦略的に分散されています ポリマー構造内でカスタムの機械的特性を付与します。
| 11-63 GPa |
| 3.5-5.5 GPa |
| 3.5-4.6 GPa |
| 3.0 GPa |
| 0.23-0.73 GPa |
カーボンナノチューブは、優れた電気伝導率と熱伝導率も提供します 、これにより、エレクトロニクスパッケージングアプリケーションで、またはポリマーや接着剤への添加剤として有用になります。 それらを導電性にするために。従来、金属は電子機器の電気伝導体および熱伝導体として使用される主要な材料でした。これは、ポリマーとセラミックの電気伝導率と熱伝導率が比較して低いためです。
ただし、カーボンナノチューブを追加することで、いくつかのポリマーを導電性にすることができます 、これにより、より高速で安価な電子機器製造の新しい可能性が開かれます。 。
| 10 2 -10 6 S / cm | 6000 W / mK |
| 10 3 -10 5 S / cm | 2000 W / mK |
| 10 -2 -10 -15 S / cm | 900-2320 W / mK |
| 3.3-4000 S / cm | 2.2-298 W / mK |
| 4.3•10 9 -5.9•10 9 S / cm | 305-385 W / mK |
カーボンナノチューブ強化複合材料
グラフェンとカーボンナノチューブが非常に強力な場合、それなら、なぜそれらをすべてに使用しないのですか ？グラフェンやカーボンナノチューブに匹敵する強度を持つ部品は、他の材料と比較して実質的に破壊されません。
カーボンナノチューブとグラフェンの信じられないほどの強さを利用するという課題を理解するために、グラファイトが柔らかい理由を見ることができます 。グラフェンの個々のシートは非常に強力ですが、グラフェンのシート間の結合が弱いため、グラファイトは柔らかくなります。 。
個々のカーボンナノチューブは、これまでに発見された中で最も強力な材料の1つですが、その強度を有効にするには、互いに接続する必要があります 。
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カーボンナノチューブは、グラフェンシートをチューブの形に丸めることで得られるものです。
これが、カーボンナノチューブが他の材料の添加剤としてよく使用される理由です 、通常はポリマー、それらの特性を改善するため。カーボンナノチューブは強度を追加 そして、それらが分散している「マトリックス」材料は、すべてを一緒に保持します。しかし、これは私たちに疑問を残します：なぜそれらの小さなカーボンナノチューブはバルク材料よりもはるかに強いのですか？小さいので強いです。
超強力ナノマテリアル
カーボンナノチューブの強度の鍵は、サイズが小さいためにカーボンの理論上の強度に近づくという事実にあります。 。材料の理論上の強度は、欠陥のない完全結晶を破壊するために必要な応力です。
たとえば、純鉄の理論強度は31.8 GPaですが、バルク鋼の強度は270〜740 MPaの範囲であり、理論強度の2.5％未満です。これは、転位と呼ばれる小さな欠陥により、バルク鋼が仮想の欠陥のない結晶と比較して低い応力で塑性変形および破損しやすくなるためです。 。
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整列したカーボンナノチューブのSEM画像。 ©フラウンホーファーIKTS
バルク材料が理論上の強度に近づくことはありません なぜなら、非常に注意深い処理を行っても、大規模な材料は必然的に微細構造の欠陥になってしまうからです。 それは彼らの強さを減らします。これは、残念ながら、人間が大きくて完璧なグラフェンのシートを製造する可能性が低い理由でもあります。 2010年のノーベル賞授賞式で説明された1原子厚のグラフェン猫ハンモックのように。
このような大きなシートは、確実に欠陥が含まれているはずです それはその強さを弱め、猫はハンモックを引き裂くでしょう。したがって、ほとんどのバルク材料の処理は、欠陥を完全に排除するのではなく、微細構造の欠陥の影響を制限することに焦点を合わせています 。現在の技術では、完全に欠陥のない材料を大量に作成することは事実上不可能です。
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電気化学的に成長させたTiO2ナノチューブの電子顕微鏡画像。人間の髪の毛の幅の10,000分の1の大きさで、現在の太陽電池よりも安価になる可能性のある太陽電池を「成長」させる新しい技術で、チューブに有機ポリマーが充填されています。
材料の体積が非常に小さい場合、欠陥のない材料の合成ははるかに実現可能です。簡単に言えば、非常に少量の材料は、大量の材料よりも統計的に欠陥を含む可能性が低い。 、および少量の材料は、欠陥がほとんどない化学成長プロセスによって簡単に作成できます。
したがって、欠陥のないナノチューブを大量に作成することが可能です 、ただし、欠陥のない大きなモノリシック材料を作成することはできません。 カーボンナノチューブは非常に小さいため、非常に強力です。 これにより、欠陥がなくなります。
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カーボンナノチューブは紡糸されて糸を形成します。
また、材料の強度は、試験片を破壊するのに必要な力をその試験片の断面積で割ることによって測定されることも覚えておく価値があります。 、1平方ミリメートルあたり1ニュートン（N / mm2）に相当するメガパスカル（MPa）のような単位になります。したがって、強度測定により、試験片内の材料の量が自動的に補正され、その結果、直径1cmの鋼棒の強度と直径1µmのカーボンナノチューブの強度を比較できます。
小さなナノチューブは完全に欠陥がない可能性がはるかに高い 、したがって非常に強力です。しかし、鋼棒と同じサイズの部品を作成するのに十分なナノチューブを束ねるには、繊維強化複合材料を作成する必要があります 。
サイズが小さく、結果として欠陥がないことが、カーボンナノチューブを超強力なナノ材料にしている理由です。 、個々の多層カーボンナノチューブは、11〜63 GPaの強度を報告しています。これは、カーボンの理論上の強度である156.0GPaに近い値です。 他の素材も超小型にすることができます 、ナノウィスカーの形で13 GPaの強度が報告されている鉄を含む、欠陥のない「ウィスカー」。バルク鋼よりも鉄の理論強度にはるかに近い値です。
他の多くの材料がナノチューブで合成されています 、ナノワイヤー、またはウィスカーは実験室の条件下で形成されますが、カーボンナノチューブは、Goodfellowなどのサプライヤーから市販されている数少ない超強力なナノ材料の1つです。
結論
カーボンナノチューブは、サイズが非常に小さいため欠陥がないため、これまでに発見された中で最も強力な材料の1つです。 炭素の理論的強度の達成に近づきます 。これが、カーボンナノチューブが他の材料の特性を高めるために最も一般的に使用される理由です。 、強度、電気伝導率、熱伝導率を向上させるためにポリマーマトリックスに添加する場合など。
カーボンナノチューブの強度は、繊維強化複合材料で一般的に使用されている他の繊維よりも桁違いに高くなっています。 カーボンナノチューブの優れた電気伝導率と熱伝導率 また、金属が伝統的に使用されている電子用途向けの導電性ポリマーの作成も可能になります。
産業技術