カーボン ナノチューブ 技術が約束する電線革命

ホワイト ペーパー

カーボン ナノチューブ 技術が電線革命を導くであろうと思われます

CNT を繊維や テープ 形状で扱うには、処理量の最適化と製造歩留まり向上の改善が、ケーブル製造工程に必要となります。

配線変革

カーボン ナノチューブ技術 (CNT) は、半導体から医療産業まで幅広い分野で関心を持たれており、TE Connectivity (TE) が重点を置いて研究している分野の 1 つが高性能電気ケーブルです。TE は大学や業界を リード する企業と共に、電線での使用を目指した CNT 開発を積極的に行っており、評価用の試作品サンプルを作り出しています。CNT ケーブル が主流となるまでにはまだ多くの進歩が必要ですが、当社はこの技術が十分に促進されており、衛星などの特定用途に適合するものと確信しています。 

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カーボン ナノチューブ は、炭素原子による単一層また複数層が円筒形状に構成されたものです。
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高度に整列された構造の単一層または複数層の ナノチューブ が、最良の電気的性能を持つことが発見されています。

CNT を使用した ケーブル は、第一に既存材料と比較した重量軽減の点から、これまでの常識を覆す技術です。具体的には、衛星から無人および有人航空機において、数十ポンドから数百ポンドの軽量化となります。たとえば:

  • 衛星 : 衛星を軌道上に投入するための打ち上げコストは、1 ポンドの重量負荷あたり US $ 5,000 ~ $ 50,000 になります。重量軽減は コスト に大変大きく影響し、軽減分を他の分析器や工学機器の追加、または衛星の寿命を長らえる追加燃料搭載も可能になります。
  • 無人飛行機 : 軽量化によって飛行時間を長くすることができます。大型の UAV にはおよそ 850 ポンドものケーブルが搭載されています。銅編組 シールド の代わりに CNT シールド を使用することで、 300 ポンド の軽量化が可能です。すべての電線を CNT 構成にした場合は、さらに 100 ポン ド削減でき、電線全重量を 850 ポンド から 450 ポンド に軽減できます。
  • 有人航空機 : 軽量化は燃料消費効率を大幅に向上させたり、搭載負荷の増加や航続距離の拡大につながります。

 

CNT ケーブル の利点は航空宇宙産業以外の用途にも及びます。軽量化は地上車両でも重要であり、また兵士装着機器においても同様です  

単一層の カーボンナノチューブ は、直径が数 ナノメートル に過ぎませんが、長さは数 ミリメートル に及びます。 この長い縦横比により、ナノスケール で注目すべき特性が得られます。 それらの特性は、鉄より高い引張強度、銅よりも高い伝導率、ダイアモンド よりも大きい熱散逸性、腐食や疲労に対する高い耐性などです。単一層 カーボンナノチューブ の主な特性を以下の表に示します。

 

機械的強度 CNT 鉄鋼 アルミニウム
ヤング率 (TPa) 0.8 ~ 1.4 0.3 0.7
引張強度 (GPa) 63 2 0.3
比重 (g/cm3) 1.4 8 2.7
  1. カーボン ナノ チューブ (英語)

カーボン ナノ チューブ技術

CNT シールド

CNT は熱処理で成長し、導体の場合は繊維状、シールドの場合はテープ、シート、繊維状にそれぞれ仕上げられます。 

CNT を束ねて繊維状や シート形状にして実用的な サイズ にすることで、材料の特性が変わってきます。単一層の カーボンナノチューブ は銅よりも 30% 高い伝導率ですが、CNT 繊維を網状に構成したものは、伝導率が銅よりも数桁低くなります。CNT 繊維における 2007 年以降の伝導率改善動向を以下の図に示します。  

CNT は熱処理で成長し、導体の場合は繊維状、シールドの場合はテープ、シート、繊維状にそれぞれ仕上げられます。 
CNT の伝導率図表

CNT ケーブルは、MIL-STD-1553B & IEEE 1394 規格製品として航空宇宙および衛星用途向けに活発に開発されており、今後数年間のうちに試作段階から量産段階に進むと考えられています。初期の IEEE 1394 規格 ケーブル では CNT が シールド のみに使用される見通しですが、MIL-STD-1553B 規格ではすべて CNT で構成されるた ケーブル になる見込みです。

CNT を使用し たシールド では、高い シールド 効果と大幅な重量軽減を兼ね合わせた特性が可能となります。CNT テープ 2 重巻き シールドでは、高周波帯域において銅編組 とほぼ同等の シールド効果(約 50 dB at 4 GHz)を得ることができ、CNT テープ重量は銅編組の 2% 以下にすぎません。

しかしながら、CNT シールド は 100 MHz 以下の周波数帯域では シールド 効果が悪く、かつ落雷に対する保護には無力となります。航空宇宙用途では 2 重銅編組 シールド ケーブル が多く使用されているので、2 重の内の 1 重銅編組を CNT に置き換えることで、低周波 ノイズ と落雷保護を銅編組 シールドで処理し、高周波 ノイズ を CNT シールドで処理することができます。この複合 シールド構造では、重量を 25 ~ 30% 削減できます。 

cnt

最高のときに向けた準備

ケーブルで CNT 材料を実用化する試みが進展するにつれて、2 つの別の問題が浮かび上がっています。その 1 つは CNT ケーブルの接続方法です。CNT 導体は既存の コンタクト に接続可能であり、圧着工具の設定と ダイ 工具の変更が必要にはなるものの、一般的な圧着技術で接続できます。CNT と コンタクト の圧着接続強度テストにおいては、コンタクト との接続部が破断する前に、CNT 繊維が先に破断することが示されています。シールド は金属製 バンド や他の圧着法で バックシェル に接続できます。特殊合金を使用することで、テープ と繊維をはんだ付けすることもできます。

2 つめの問題は、試作段階から量産段階への移行です。CNT 繊維、シート および テープ 形状品は市販の量で入手可能ですが、ケーブル に必要な長尺品の大量生産には課題があります。CNT 製造会社の生産能力は急速に増大していますが、現在の購入には長い時間が必要となっています。半導体や複合材 エンクロージャ など現在の多くの用途では、ミクロン単位やミリメートル単位長の CNT が使用されています。 ケーブル の場合はこれらの用途とはまったく異なり、数十メートル単位の長さを必要とします。  

TE では、 パートナ と共に、微小 CNT 配列による伝導性の改善に取組んでおり、すでに数 マイル 長の CNT を製造し、電線としてのテストおよび評価を行っています。 

TE は、年間数百 マイル の電線を生産できる CNT の試験工場を建設済みです。CNT を繊維や テープ 形状で扱うには、処理量の最適化と製造歩留まり向上の改善が、ケーブル製造工程に必要となります。TE ではその改良方法を開発し、多種の長尺電線を供給することができます。  

著者経歴

Stefanie Harvey

材料科学の博士である Stefanie Harvey は、TE Connectivity の Global Aerospace, Defense & Marine 部門で重要な科学者の一人です。彼女は ナノテクノロジ、界面科学、物質界面および薄膜処理の高度な専門知識を持っています。Stefanie は半導体 プロセス、バイオテクノロジ、防衛などの ハイテク ソリューション 分野でで 17 年以上の経験を持っています。Stefanie はまた 1999 年からサンノゼ州立大学で、バイオメディカル、化学、材料工学部門で臨時教授を務めていました。 彼女は新たな機会を求めて 2015 年に TE を退職しました。 

カーボン ナノチューブ 技術が約束する電線革命

ホワイト ペーパー

カーボン ナノチューブ 技術が電線革命を導くであろうと思われます

CNT を繊維や テープ 形状で扱うには、処理量の最適化と製造歩留まり向上の改善が、ケーブル製造工程に必要となります。

配線変革

カーボン ナノチューブ技術 (CNT) は、半導体から医療産業まで幅広い分野で関心を持たれており、TE Connectivity (TE) が重点を置いて研究している分野の 1 つが高性能電気ケーブルです。TE は大学や業界を リード する企業と共に、電線での使用を目指した CNT 開発を積極的に行っており、評価用の試作品サンプルを作り出しています。CNT ケーブル が主流となるまでにはまだ多くの進歩が必要ですが、当社はこの技術が十分に促進されており、衛星などの特定用途に適合するものと確信しています。 

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カーボン ナノチューブ は、炭素原子による単一層また複数層が円筒形状に構成されたものです。
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高度に整列された構造の単一層または複数層の ナノチューブ が、最良の電気的性能を持つことが発見されています。

CNT を使用した ケーブル は、第一に既存材料と比較した重量軽減の点から、これまでの常識を覆す技術です。具体的には、衛星から無人および有人航空機において、数十ポンドから数百ポンドの軽量化となります。たとえば:

  • 衛星 : 衛星を軌道上に投入するための打ち上げコストは、1 ポンドの重量負荷あたり US $ 5,000 ~ $ 50,000 になります。重量軽減は コスト に大変大きく影響し、軽減分を他の分析器や工学機器の追加、または衛星の寿命を長らえる追加燃料搭載も可能になります。
  • 無人飛行機 : 軽量化によって飛行時間を長くすることができます。大型の UAV にはおよそ 850 ポンドものケーブルが搭載されています。銅編組 シールド の代わりに CNT シールド を使用することで、 300 ポンド の軽量化が可能です。すべての電線を CNT 構成にした場合は、さらに 100 ポン ド削減でき、電線全重量を 850 ポンド から 450 ポンド に軽減できます。
  • 有人航空機 : 軽量化は燃料消費効率を大幅に向上させたり、搭載負荷の増加や航続距離の拡大につながります。

 

CNT ケーブル の利点は航空宇宙産業以外の用途にも及びます。軽量化は地上車両でも重要であり、また兵士装着機器においても同様です  

単一層の カーボンナノチューブ は、直径が数 ナノメートル に過ぎませんが、長さは数 ミリメートル に及びます。 この長い縦横比により、ナノスケール で注目すべき特性が得られます。 それらの特性は、鉄より高い引張強度、銅よりも高い伝導率、ダイアモンド よりも大きい熱散逸性、腐食や疲労に対する高い耐性などです。単一層 カーボンナノチューブ の主な特性を以下の表に示します。

 

機械的強度 CNT 鉄鋼 アルミニウム
ヤング率 (TPa) 0.8 ~ 1.4 0.3 0.7
引張強度 (GPa) 63 2 0.3
比重 (g/cm3) 1.4 8 2.7
  1. カーボン ナノ チューブ (英語)

カーボン ナノ チューブ技術

CNT シールド

CNT は熱処理で成長し、導体の場合は繊維状、シールドの場合はテープ、シート、繊維状にそれぞれ仕上げられます。 

CNT を束ねて繊維状や シート形状にして実用的な サイズ にすることで、材料の特性が変わってきます。単一層の カーボンナノチューブ は銅よりも 30% 高い伝導率ですが、CNT 繊維を網状に構成したものは、伝導率が銅よりも数桁低くなります。CNT 繊維における 2007 年以降の伝導率改善動向を以下の図に示します。  

CNT は熱処理で成長し、導体の場合は繊維状、シールドの場合はテープ、シート、繊維状にそれぞれ仕上げられます。 
CNT の伝導率図表

CNT ケーブルは、MIL-STD-1553B & IEEE 1394 規格製品として航空宇宙および衛星用途向けに活発に開発されており、今後数年間のうちに試作段階から量産段階に進むと考えられています。初期の IEEE 1394 規格 ケーブル では CNT が シールド のみに使用される見通しですが、MIL-STD-1553B 規格ではすべて CNT で構成されるた ケーブル になる見込みです。

CNT を使用し たシールド では、高い シールド 効果と大幅な重量軽減を兼ね合わせた特性が可能となります。CNT テープ 2 重巻き シールドでは、高周波帯域において銅編組 とほぼ同等の シールド効果(約 50 dB at 4 GHz)を得ることができ、CNT テープ重量は銅編組の 2% 以下にすぎません。

しかしながら、CNT シールド は 100 MHz 以下の周波数帯域では シールド 効果が悪く、かつ落雷に対する保護には無力となります。航空宇宙用途では 2 重銅編組 シールド ケーブル が多く使用されているので、2 重の内の 1 重銅編組を CNT に置き換えることで、低周波 ノイズ と落雷保護を銅編組 シールドで処理し、高周波 ノイズ を CNT シールドで処理することができます。この複合 シールド構造では、重量を 25 ~ 30% 削減できます。 

cnt

最高のときに向けた準備

ケーブルで CNT 材料を実用化する試みが進展するにつれて、2 つの別の問題が浮かび上がっています。その 1 つは CNT ケーブルの接続方法です。CNT 導体は既存の コンタクト に接続可能であり、圧着工具の設定と ダイ 工具の変更が必要にはなるものの、一般的な圧着技術で接続できます。CNT と コンタクト の圧着接続強度テストにおいては、コンタクト との接続部が破断する前に、CNT 繊維が先に破断することが示されています。シールド は金属製 バンド や他の圧着法で バックシェル に接続できます。特殊合金を使用することで、テープ と繊維をはんだ付けすることもできます。

2 つめの問題は、試作段階から量産段階への移行です。CNT 繊維、シート および テープ 形状品は市販の量で入手可能ですが、ケーブル に必要な長尺品の大量生産には課題があります。CNT 製造会社の生産能力は急速に増大していますが、現在の購入には長い時間が必要となっています。半導体や複合材 エンクロージャ など現在の多くの用途では、ミクロン単位やミリメートル単位長の CNT が使用されています。 ケーブル の場合はこれらの用途とはまったく異なり、数十メートル単位の長さを必要とします。  

TE では、 パートナ と共に、微小 CNT 配列による伝導性の改善に取組んでおり、すでに数 マイル 長の CNT を製造し、電線としてのテストおよび評価を行っています。 

TE は、年間数百 マイル の電線を生産できる CNT の試験工場を建設済みです。CNT を繊維や テープ 形状で扱うには、処理量の最適化と製造歩留まり向上の改善が、ケーブル製造工程に必要となります。TE ではその改良方法を開発し、多種の長尺電線を供給することができます。  

著者経歴

Stefanie Harvey

材料科学の博士である Stefanie Harvey は、TE Connectivity の Global Aerospace, Defense & Marine 部門で重要な科学者の一人です。彼女は ナノテクノロジ、界面科学、物質界面および薄膜処理の高度な専門知識を持っています。Stefanie は半導体 プロセス、バイオテクノロジ、防衛などの ハイテク ソリューション 分野でで 17 年以上の経験を持っています。Stefanie はまた 1999 年からサンノゼ州立大学で、バイオメディカル、化学、材料工学部門で臨時教授を務めていました。 彼女は新たな機会を求めて 2015 年に TE を退職しました。