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KAIST、高分子炭素繊維と低次元炭素ナノ素材の界面の原子配列を解明

グラフェンを利用して炭素繊維の品質を向上させる可能性も提示


大徳所在のKAIST(シン・ソンチョル総長)はEEWS大学院のキム・ヨンフン教授研究チームが高品質の炭素繊維の開発に必要な高分子前駆体と低次元炭素ナノ素材間の界面の原子構造および電子構造的特性を確認したと4月26日に発表した。

炭素繊維は非常に軽く優れた機械的熱的特性をもつことから超軽量自転車、ゴルフクラブなどスポーツ用品から自動車、航空宇宙、原子力などさまざまな先端技術分野に活用されている。

現在炭素繊維は高分子前駆体繊維を一連の紡糸の過程により得たのち安定化と炭化、2500度以上での延伸黒鉛化を経て作られる。高分子前駆体にはポリアクリロニトリルが90%以上の比率で使用されている。

高品質の次世代炭素繊維を得るには炭素ナノチューブ(CNT)を炭素繊維前駆体高分子マトリックスに分散させて高分子の結晶性を高める方法が代表的。炭素ナノチューブと前駆体高分子の組み合わせが炭素繊維の物性を向上させられるということも実験により確認されている。

しかしこれまでの20年以上の研究にもかかわらす炭素ナノチューブと前駆体高分子間の相互作用に関する理解は実験的接近が難しかった。また炭素ナノチューブを活用した高品質の炭素繊維製造技術には限界があった。

研究チームはスーパーコンピュータを活用して量子力学的第1原理にもとづくマルチスケールシミュレーションを行い炭素繊維前駆体であるポリアクリロニトリル高分子が炭素ナノチューブの界面で配列される過程を原子レベルで体系的に再現した。また炭素ナノチューブ-ポリアクリロニトリル高分子界面が特にすぐれた特性を示す理由について研究した。

その結果、ポリアクリロニトリル高分子の単位体が横たわっている状態の特定の原子構造を好み、この際に正電荷と負電荷がバランスよく移動する界面特有の特性が発現することが分かった。この界面の構造を最大化させることで最適の大規模のポリアクリロニトリル高分子の整列を誘導することが可能。

研究チームはまたポリアクリロニトリル高分子の整列度がグラフェンナノリボンとの界面で極大化されることを確認、グラフェンを利用して炭素繊維の品質を向上させる可能性も提示した。

研究成果は『Advanced Fuctional Materials』に4月11日付で掲載された。






[2018-05-01]

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