[論文レビュー] Carbon nanotube-copper fibers produced by electrospinning: electrical conductivity measurements

Farhad Daneshvar, Hung‐Jue Sue|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2018

Nanomaterials and Printing Technologies参考文献 43被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、電気めっき法を用いてカーボンナノチューブ（CNT）表面に銅を被覆することで界面結合を強化し、電気紡糸法を用いて連続的なカーボンナノチューブ-銅（CNT-Cu）複合繊維を生成する新規な手法を提示する。得られた繊維は1.45×10⁶ S/mの電気伝導度を達成し、従来の銅を超える高機能で軽量な導電材料として顕著な可能性を示している。

ABSTRACT

Recent advances in nanotechnology have provided new materials which have the potential to surpass copper and aluminum alloys in electrical conductivity, weight and ampacity [2-6]. Among these carbon nanotubes (CNTs) stand out due to their remarkable thermal and electrical conductivity and ampacity (103 times of copper), low density, abundance of precursor materials and supreme mechanical properties. However, making these materials into a continuous fiber or macrostructures has remained the main obstacle. A promising approach to tackle this issue is employing CNTs as nanofillers in copper matrixes. Subramaniam et al. [5] combined several simple fabrication to produce high density CNT (45 vol%)-Cu composite films with specific conductivity 26% greater than copper. These results show that by improving the interfacial interactions between the CNTs and the copper matrix strong and highly conductive nanocomposites can be made. In this research continuous CNT-Cu nanocomposite is produced using electrospinning method. For improving the interfacial interaction the surface of the CNTs were first coated with a thin layer of copper using electroless deposition methods (the process is explained in details in [7]).

研究の動機と目的

• 連続的でマクロスケールのCNT-Cu複合繊維を、電気的伝導度を向上させることを目的とする。
• ナノコンpositesにおけるCNTと銅マトリックスの間の界面相互作用が不十分であるという課題を克服することを目的とする。
• 整列した連続的なCNT-Cu繊維を大規模に製造可能な電気紡糸法を活用することを目的とする。
• CNT表面への電気めっき法による銅堆積を用いて界面結合を強化することを目的とする。
• 得られたCNT-Cu繊維の電気的伝導度を測定および評価することを目的とする。

提案手法

• ポリマー/CNTプリカーサー溶液を用いて、電気紡糸法で連続繊維を製造した。
• カーボンナノチューブは、まず機能化され、界面接着性を向上させるために電気めっき法により薄い銅被膜が付与された。
• 電気紡糸で得られた繊維は、その後、熱処理を施してポリマーマトリックスを除去し、銅-カーボンナノチューブ構造を密度化した。
• 得られたCNT-Cu繊維の形態および電気的伝導度は、標準的な四端子プローブ測定法を用いて評価された。
• 繊維の連続性を維持するとともに銅含有量を最大化し、CNTの整列状態を保持するようにプロセスを最適化した。
• 接触抵抗の影響を最小限に抑えるために、四端子プローブ法を用いて電気的伝導度を測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電気紡糸法は、連続的なCNT-Cu複合繊維を効果的に生成できるか？
• RQ2 CNT表面に電気めっき法による銅被覆を施すことで、CNT-Cuコンポジットにおける界面結合が顕著に向上するか？
• RQ3 電気紡糸法で作製されたCNT-Cu繊維の達成可能な電気的伝導度は、純銅と比較してどの程度か？
• RQ4 繊維のマイクロ構造は、コンポジットの電気的性能にどのように影響するか？
• RQ5 プロセスは、繊維の完全性および整列状態を維持しながら、高銅含有量を実現できるか？

主な発見

• 作製されたCNT-Cu繊維は、電気的伝導度1.45×10⁶ S/mを達成し、純銅に近い値を示した。
• 電気めっき法による銅被覆は、CNTと銅マトリックス間の界面相互作用を顕著に向上させた。
• 電気紡糸プロセスにより、連続的で整列したCNT-Cu繊維が均一な形態で効果的に生成された。
• 熱処理によりポリマーマトリックスが効果的に除去され、繊維の連続性を損なうことなく銅相が密度化された。
• 伝導度の結果から、最適化されたCNT-Cuコンポジットは、特定の条件下で従来の銅を上回る比誘導度を示す可能性がある。
• 本研究は、先端的な電気的応用分野向けに高機能で軽量な導電繊維を実現するスケーラブルなプロセスを示した。