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ポリアクリロニトリルと単層カーボンナノチューブナノコンポジットの欠陥構造進化：分子動力学シミュレーションによるアプローチ
Defect structure evolution of polyacrylonitrile and single wall carbon nanotube nanocomposites: a molecular dynamics simulation approach.
PMID: 32678215 DOI: 10.1038/s41598-020-68812-7.
抄録
本研究では、ポリアクリロニトリル-単層カーボンナノチューブ(PAN-SWNT)ナノコンポジットの欠陥構造発達を理解するために分子動力学シミュレーションを行った。SWNT濃度を5wt%とした3種類のモデル(コントロールPAN, PAN-SWNT(5,5), PAN-SWNT(10,10))を用いて、100%ひずみまでの大変形試験を行い、対応する機械的特性を調べた。変形時には、両ナノコンポジットシステムにおいて、対照のPANと比較して高い応力が観察され、効果的な補強が行われていることが示された。小径のSWNTを使用した場合、より高いヤング率（4.76±0.24GPa）とバルク（4.19±0.25GPa）が観察され、SWNTの方が応力に優れていることが示唆された。また、PAN-SWNTではボイド構造の形成が明確に観察されたが、小径SWNTを用いたナノコンポジットではこのような欠陥構造の形成は見られなかった。また、SWNTの端部のボイドは変形の増加に伴って絞り方向に大きくなっていた。
In this study, molecular dynamics simulations were performed to understand the defect structure development of polyacrylonitrile-single wall carbon nanotube (PAN-SWNT) nanocomposites. Three different models (control PAN, PAN-SWNT(5,5), and PAN-SWNT(10,10)) with a SWNT concentration of 5 wt% for the nanocomposites were tested to study under large extensional deformation to the strain of 100% to study the corresponding mechanical properties. Upon deformation, the higher stress was observed in both nanocomposite systems as compared to the control PAN, indicating effective reinforcement. The higher Young's (4.76 ± 0.24 GPa) and bulk (4.19 ± 0.25 GPa) moduli were observed when the smaller-diameter SWNT was used, suggesting that SWNT resists stress better. The void structure formation was clearly observed in PAN-SWNT, while the nanocomposite with smaller diameter SWNT did not show the development of such a defect structure. In addition, the voids at the end of SWNT became larger in the drawing direction with increasing deformation.