CFRPの優れた電気的および機械的特性のためのCNTグラフト炭素繊維の表面エネルギーの向上

Enhanced Surface Energetics of CNT-Grafted Carbon Fibers for Superior Electrical and Mechanical Properties in CFRPs.

• Arash Badakhsh
• Kay-Hyeok An
• Byung-Joo Kim

抄録

複合システムにおいて優れた特性を達成するためには、部品の表面強化が不可欠である。本研究では，カーボンファイバー（CF）基板上にカーボンナノチューブ（CNT）を成長させ，表面積を向上させ，エポキシ樹脂とCFの密着性を向上させた．CNT成長の触媒としてニッケル(Ni)を用い、電気めっき法によりCFシート上にコーティングした。CNT成長したCFの表面エネルギーとエポキシ樹脂との密着性を測定した。また、SEMとTEMを用いて試料の形態を解析した。触媒重量比（15 wt.% Ni）による表面エネルギーの最適化を行った後、ハンドレイアップ法を用いてCF強化プラスチック（CFRP）サンプルを作製した。化学気相成長（ＣＶＤ）で成長したＣＮＴがＣＦＲＰ特性に及ぼす効果を検証するために，Ｎｉで被覆したＣＦで補強する前にＣＮＴ粉末をエポキシに添加したサンプルも作成した．ＣＦＲＰ試験片は、電気抵抗率、曲げ強度、延性指数を決定するために試験された。CNTを添加したCFRPの電気抵抗率は，それぞれ約9倍，2.3倍であることがわかった．また，CNTを添加したNi-CFRPの曲げ強度は，受入れ時に比べて52.9%向上していた。興味深いことに，CNT-grown Ni-CFRPの延性指数はCNT添加Ni-CFRPに比べて40%低下した．これはCNTの先端成長とNiコーティングの破断に起因するものである。

Surface enhancement of components is vital for achieving superior properties in a composite system. In this study, carbon nanotubes (CNTs) were grown on carbon fiber (CF) substrates to improve the surface area and, in turn, increase the adhesion between epoxy-resin and CFs. Nickel (Ni) was used as the catalyst in CNT growth, and was coated on CF sheets via the electroplating method. Surface energetics of CNT-grown CFs and their work of adhesion with epoxy resin were measured. SEM and TEM were used to analyze the morphology of the samples. After the optimization of surface energetics by catalyst weight ratio (15 wt.% Ni), CF-reinforced plastic (CFRP) samples were prepared using the hand lay-up method. To validate the effect of chemical vapor deposition (CVD)-grown CNTs on CFRP properties, samples were also prepared where CNT powder was added to epoxy prior to reinforcement with Ni-coated CFs. CFRP specimens were tested to determine their electrical resistivity, flexural strength, and ductility index. The electrical resistivity of CNT-grown CFRP was found to be about 9 and 2.3 times lower than those of as-received CFRP and CNT-added Ni-CFRP, respectively. Flexural strength of CNT-grown Ni-CFRP was enhanced by 52.9% of that of as-received CFRP. Interestingly, the ductility index in CNT-grown Ni-CFRP was 40% lower than that of CNT-added Ni-CFRP. This was attributed to the tip-growth formation of CNTs and the breakage of Ni coating.