道路から空へ – 『ナノステッチング』が次世代車両の波をもたらす可能性

学術誌ACS Applied Materials and Interfacesに掲載された研究では、複合材料の層間をカーボンナノチューブで補強する「ナノステッチング」が検討された。薄層炭素繊維積層材の層間に微細な繊維を配置し、亀裂への抵抗性を高める手法だ。軽量で耐久性の高い構造材料につながる可能性がある。

ナノステッチングとは何か？

ナノステッチングは、実験室で成長させた垂直配向カーボンナノチューブを複合材料の層間に配置する補強方法だ。中空の微細な炭素繊維は、触媒と炭素源を用いる化学気相成長法で作製する。
基板上に成長したナノチューブは、微細な森のような構造を形成する。この構造を薄層の間へ転写する。薄層の厚さは約50マイクロメートルで、幅ではない。比較に使われる従来層の約150マイクロメートルに対し、およそ3分の1の厚さとなる。

ナノチューブは面ファスナーに例えられるように層間を補強する。ただし、樹脂を使わず森同士だけで接着する仕組みではない。複合材料を使う分野で、層間の破壊抵抗を高める用途が期待される。

ナノステッチングが解決する課題

複合材料では、外から見えにくい内部の亀裂が問題になる。衝撃などで生じた損傷が層間に広がると、構造の強度が低下するおそれがある。
ナノステッチングは、従来の樹脂をすべて置き換える技術ではない。この研究でも炭素繊維とエポキシ樹脂の積層材を使い、層間をナノチューブで追加補強した。亀裂の進み方を変え、破壊に対する抵抗を高めることが狙いだ。

剥離

層間剥離とは、積層材の層と層が分離する損傷をいう。ナノステッチングはその抵抗性を改善する可能性があるが、どの条件でも剥離を完全に防ぐと示されたわけではない。

検査が困難

複合材料の内部損傷は、表面に目立った変化がなくても発生することがある。材料構成や荷重の違いによって損傷形態も変わるため、適切な検査が必要だ。

ナノチューブによる層間補強は損傷の進展を抑える可能性がある。しかし、この研究は検査が不要になることや、既存の亀裂をその場でナノステッチングにより修理できることを示していない。

構造的弱点

ボルト穴の周辺や荷重が集中する箇所などを選択的に補強する用途が考えられる。建築物への応用も可能性の一つだが、実用化には部材ごとの試験と安全性評価が必要となる。

製造プロセス

この方法は樹脂をなくして分子だけで層を接合するものではない。ナノチューブの成長、転写、積層、硬化などの工程が必要であり、従来法より常に簡単または安価だと結論づけることはできない。

MITエンジニア

研究には、Carolina Furtado、Reed Kopp、Xinchen Ni、Carlos Sarrado、Estelle Kalfon-Cohen、Brian Wardle、Pedro Camanhoが参加した。MITの航空宇宙工学教授Wardleは、複合材料を研究するnecstlabを率いている。

テスト

実験を主導したCarolina Furtadoは、複合材料の亀裂や損傷を研究している。論文では試験方法と破壊靭性の評価を詳しく説明している。

試験片は炭素繊維とエポキシ樹脂からなる60層の積層材で、厚さは約3〜4ミリメートルだった。ナノチューブを配置したのは中央の2層の間であり、60層すべての界面を補強したわけではない。

研究者は中央界面に亀裂の起点を設け、層を開く、ずらす、その両方を組み合わせる試験を行った。補強材では亀裂が層間から隣接層の内部へ向きを変えた。初期破壊靭性は開口型で34%、せん断型で62%改善したが、亀裂自体が消失したという意味ではない。

ナノステッチングの潜在的応用

複合材料の用途が広がるにつれ、軽量性と耐久性を両立する方法への関心も高まっている。以下は将来の応用候補であり、研究結果だけで直ちに商用採用できると示された分野ではない。

航空宇宙

航空宇宙では、複合材料が機体の軽量化に使われる。層間損傷への抵抗性を高められれば、設計の選択肢が広がる可能性がある。レーダーに対する性質は材料や構造によって異なる。

将来の航空機や宇宙機で軽量化と構造耐久性の改善につながる可能性がある。ただし、電動航空機の航続距離や機体の寿命への効果は、実際の設計と運用条件で検証する必要がある。

建築

建築や橋梁などで複合材料を補強する用途も考えられる。しかし、今回の試験で3Dプリント住宅の耐候性や橋の安全性が実証されたわけではない。

自動車

電気自動車の軽量化は走行に必要なエネルギーを減らし、1回の充電で走れる距離を伸ばす可能性がある。これはバッテリーそのものの劣化寿命が延びることとは区別すべきだ。自動車分野ではすでにさまざまな複合材料が利用されている。

エネルギー生産と蓄電

風力タービンなどの複合材料部品で、軽量化や損傷抵抗の向上に役立つ可能性がある。一方、この研究だけで発電効率や太陽光パネルの性能が上がると保証されるわけではない。

海洋工学

海洋構造物への応用も研究候補となる。ただし、深海の圧力に耐える設計には圧縮荷重、疲労、浸水など多くの評価が必要であり、この成果だけで従来より深く潜れるとはいえない。

ロボティクス

ロボット分野では軽く丈夫な材料が求められる。補強複合材料によって重量や耐久性を改善できれば、移動や搬送に役立つ可能性がある。

生体材料と人工部品を組み合わせるバイオハイブリッドロボットも、将来の研究対象になり得る。ただし、微小部品の接合や生体適合性は別途検証する必要がある。

ナノステッチングから恩恵を受ける可能性のある企業

複合材料を扱う企業にとって、ナノステッチングは将来検討できる技術の一つだ。以下の企業への採用や売上効果が発表されたという意味ではない。

Owens Corning

OC 価格チャート

Owens Corning (OC ) はガラス繊維や建材を扱う大手企業で、オハイオ州に本拠を置く。1938年に法人として設立された。1985年にはArmcoから複数の事業を取得して航空宇宙・戦略材料部門を形成したが、その後の再編で売却した。記事当時、複合材料関連の製造拠点を世界各地に展開していた。

同社に関連する材料でも、このような補強手法を検討できる可能性はある。ただし、航空宇宙市場への採用や具体的な製品化が確定しているわけではなく、材料との適合性を調べる必要がある。

帝人（Teijin Limited）

帝人は1918年創業の日本企業で、繊維、樹脂、複合材料などを手掛ける。2024年の会社資料では、約20か国で約2万人を雇用するグループと説明されていた。

帝人のような複合材料メーカーにとっても、層間補強は検討対象になり得る。今回の試験にはTeijin Carbon Americaのプリプレグが使われたが、それだけでナノステッチング製品の商用提供を意味するわけではない。

Hexcel

HXL 価格チャート

Hexcelは、炭素繊維、樹脂、プリプレグ、ハニカムなどを扱う複合材料メーカーだ。ハニカムは航空宇宙などで使われる軽量な芯材だが、同社の事業はそれだけではない。

同社の材料分野でもナノ補強を検討できる可能性がある。ただし、製造工程への統合、認証、費用対効果などを確認する必要があり、競争優位が自動的に生まれるとはいえない。

ナノステッチングは次の月ミッションを支える可能性

複合材料の耐久性を改善する研究は、将来の宇宙機や地上の構造物の設計に役立つ可能性がある。月探査への採用が決まったということではなく、ナノステッチングは今後の検証が期待される材料技術の一つだ。

製造技術に関するその他の研究にも注目したい。