誰もなし得なかった世界最高強度をついに実現
「新規成長法による超高強度カーボンナノチューブ線材」
新領域技術研究所
主席 大久保 総一郎
アルミよりも軽量で、鋼の20倍以上の引っ張り強度と銅に勝る導電率を持つ、そんな夢のような性質を兼ね備えたカーボンナノチューブ（carbon nanotube、CNT）は、1991年に構造が解明されて以来、「次世代の超高強度線材」としても期待されてきました。しかし、1本1本の繊維（単結晶）の優れた性能は、集合線にすると失われてしまうという難点があり、世界中の研究機関が実用化に挑みながらも製品化を叶えるには至っていませんでした。
我々が開発しているCNT線材も、研究テーマとして認められるまでの道のりは険しいものでした。本技術の重要性を理解してくれた同僚、逆算思考で挑戦を認めてくれた上司や役員、共同研究にご協力くださった関係機関の皆さんのおかげで、15年に及ぶ研究期間を経て、ようやく電線材料として製品化へのロードマップを手にしました。そして今、その先に見えてきた次なるビジョンに心を踊らせています。
そもそも、カーボンナノチューブ（CNT）とは
鉄、ニッケル、コバルトといった遷移金属のナノ粒子を高温下で炭化水素原料と反応させて炭素を浸み込ませる（浸炭する）と、いずれ過剰になった炭素がナノ粒子の表面に蓄積して成長し始め、粒子サイズの直径を持つチューブが自然にできあがります。これがCNTです。金属中の炭素が尽きるとそれ以上は成長しなくなるため、ガスから炭素を補充することで成長を続けます。従来の成長法で得られるCNTは、最大でも１cm程度で品質も不安定であったため、用途は限定的でした。
カーボンナノチューブ成長の弱点をハニカムで克服
CNT集合線の特性が低下する最大の要因は、単繊維1本が数十ミクロンと極めて短いこと、そして、単繊維を整列させて集合化させることの難しさでした。しかし、ブレイクスルーは突然訪れました。筑波大学と共同研究を進めていたある時、学生さんの条件設定ミスで、なんと数センチにもなる、欠陥の非常に少ないCNTが狭い流路の先にきれいに並んで伸びているのが発見されたのです。これをきっかけに「狭小流路」を用いた、これまでにない装置を試みることになりました。この時ヒントになったのが、手頃な価格で手に入る市販のセラミクス製のハニカムでした。こうして得られた当社独自のCNT線材は、樹脂で複合化した線材の実験室のトップデータではありますが、炭素繊維の強度（最大7GPa）を凌駕する14GPaを記録する世界初の快挙を成し遂げました。
宇宙エレベーターの実現までも
炭素繊維複合材が航空機に使用されたことで、ボーイング787は燃費が25％削減されたと言われています。当社のCNTは従来の炭素繊維よりもはるかに高い強度を有するため、航空機や自動車、ドローンなどの構造材に採用されれば、軽量化によりさらなる燃費改善が見込まれます。また、現在参画している国家プロジェクトでは耐衝撃材としての開発を目指しており、自動車の乗員を守る安全部品やスポーツ用の高性能プロテクタとしても活用が期待されています。さらに、その先には宇宙エレベーターへの採用も視野に、今後ますます新しい用途を作り出せる可能性が広がっています。
関連情報
・[共著]「浸炭鉄破断時にブリッジ成長する新規カーボンナノファイバー」『SEIテクニカルレビュー第185 号』
・[共著]「Fabrication of high-strength carbon nanotube bundles using iron oxides co-assisted chemical vapor deposition」Applied Physics Letters 115, 023106 (2019). doi: 10.1063/1.5098370
・[共著]「Floating-Bridge法によるカーボンナノチューブ紡績糸の機械特性」第80回応用物理学会秋季学術講演会
・[共著]「Fast-Flow-Assisted Floating-Catalyst Chemical Vapor Deposition for Direct Fabrication of Carbon Nanotube Fibers」NT21、Rice University, USA
