[論文レビュー] Condensed Multiwalled Carbon Nanotubes as Super Fibers

Zhiping Xu, Lifeng Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2006

Carbon Nanotubes in CompositesMaterials Science被引用数 22

ひとこと要約

本稿では、壁間隔を圧縮することで壁間せん断強度を数個のオーダー以上に向上させる、圧縮された多層カーボンナノチューブ（CMWNTs）を提案する。これにより引張強度と縦弾性係数が顕著に向上し、原子スケールのシミュレーションによりCMWNTsは2,000 Kまで構造的安定性を維持することが確認され、宇宙エレベーターおよび高性能複合材料に最適なスーパーファイバーとして提案される。

ABSTRACT

The ultra-low intershell shear strength in carbon nanotubes (CNTs) has been the primary obstacle to applications of CNTs as mechanical reinforcements. In this paper we propose a new CNT-system composed of comprising of coaxial cylindrical shells of sp2-bonded carbons with condensed intershell spacings. Our atomistic calculations show that such condensed multiwalled carbon nanotubes (CMWNTs) can greatly enhance intershell shear strengths by several orders, and can simultaneously generate higher tensile strengths and moduli respectively than those of ordinary CNTs. It has further shown that CMWNTs can maintain thermally stable up to 2,000 K. By taking advantage of the primary enhancement mechanism of CMWNTs, a method of producing CMWNTs is therefore proposed tentatively. It is believed that CMWNTs featured with those properties can be taken as excellent candidates of super fibers for creating space elevators.

研究の動機と目的

• 従来の多層カーボンナノチューブ（MWNTs）における極めて低い壁間せん断強度という、負荷伝達効率を制限する根本的課題に対処する。
• カーボンナノチューブの負荷-bearing応用分野における理論的潜在能力と実験的性能のギャップを解消する、特に宇宙エレベーター用ケーブルにおいて。
• 壁間隔の圧縮によって機械的特性を向上させる、新規なCNTアーキテクチャ「圧縮多層カーボンナノチューブ（CMWNTs）」を開発する。
• 電子線照射とアニール処理を用いた実用的生産法を提案し、スケールでのCMWNTs実現を可能にする。
• CMWNTsが48.5 GPaを超える比引張強度を達成できることを示し、宇宙エレベーター用ケーブルの厳しい要件を満たす。

提案手法

• 分子動力学および第一原理計算を用いた原子スケールのシミュレーションにより、壁間隔を0.34 nmから0.22–0.28 nmに減少させたCMWNTsの機械的特性を評価する。
• 壁間せん断強度を指数関数的依存則でモデル化：ねじれ方向の管ではτ(s) = A exp(B(0.353 - s))、ねじれを有する管ではτ(s) = A exp(B(0.341 - s))、ここでsは壁間隔を表す。
• 周方向力（N_i）と壁間圧力（p_{i-1,i}, p_{i,i+1}）の力のバランスを分析し、圧縮構造の機械的安定化を説明する。
• カノニカルアンサンブル条件下で3,000 Kまで熱安定性をシミュレートし、構造的完全性および相転移を評価する。
• 放射線修復プロセスを調査：約600 °Cでの電子ビーム照射によりカーボンオニオンに欠陥および格子空孔を誘発し、その後アニール処理により周方向収縮と壁間圧縮を駆動する。
• ねじれ方向とねじれを有する二重層管の整列性効果を比較し、ねじれの役割がせん断強度向上に与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多層カーボンナノチューブの壁間隔を小さくすることで、壁間せん断強度および引張特性を顕著に向上させることができるか？
• RQ2 壁間隔の圧縮は、多層CNTにおける機械的安定性および負荷伝達効率にどのように影響を与えるか？
• RQ3 高温条件下における圧縮多層カーボンナノチューブの熱安定性限界は何か？
• RQ4 ねじれ性が圧縮CNTにおける壁間せん断強度の向上に顕著に影響を与えるか？
• RQ5 放射線修復プロセスは、圧縮多層カーボンナノチューブのスケーラブルな生産法として実現可能か？

主な発見

• 壁間隔を0.22–0.28 nmに縮小したCMWNTsは、従来のMWNTs（せん断強度は約0.3–0.66 MPa）と比較して、壁間せん断強度が数個のオーダー以上に向上している。
• CMWNTsの壁間せん断強度は、間隔に指数関数的依存性を示し、ねじれ方向管ではτ(s) = 0.0421 exp(53.79(0.353 - s)) GPa、ねじれを有する管ではτ(s) = 0.000469 exp(95.08(0.341 - s)) GPaとなる。
• CMWNTsは2,000 Kまで構造的安定性を維持する。それ以上になると、内層の(5,0)シェルがsp³結合のダイヤモンドナノワイヤに変化し、3,000 Kでは二重層コア(5,0)@(11,0)が完全にダイヤモンドナノワイヤに変換される。
• 電子線照射（約600 °C）とその後のアニール処理による放射線修復プロセスは、欠陥を介した収縮を誘発し、壁間隔を圧縮することで、スケーラブルなCMWNTs生産を可能にする。
• ねじれ性はせん断強度向上にほとんど影響しない：通常のねじれ方向とねじれを有する二重層管では、せん断強度に2桁の差があるが、約0.22 nmの壁間隔を持つ圧縮CMWNTsでは、ほぼ同等の強度を示す。
• 2〜5層のCMWNTsのエネルギー最適化構造において、内層を除去しても壁間強度に顕著な向上は認められないことから、核心的なメカニズムは層数ではなく壁間圧縮にあることが確認された。