独立行政机构国立产业技术综合研究所[会长野间口裕]（以下简称“AIST”）纳米管应用研究中心[研究中心主任饭岛澄夫]超生长碳纳米管研究团队主任、高级研究员畠健二、同团队高级研究员双叶栋、单壁碳纳米管融合新材料技术研究会（TASC）特约研究员徐明碳纳米管(CNT)结构超级成长法创建这种CNT结构在-196℃到1000℃范围内呈橡胶状粘弹性
粘弹性体被用作冲击和振动吸收器，但它们大多数是聚合物材料，并且它们作为粘弹性体的特性在极低或高温下会丧失，并且它们还与频率相关。另外，还存在因反复应力而劣化、破损等耐久性问题。
新开发的CNT粘弹性体密度为0036 g/cm3轻质，在-196℃至1000℃温度范围内表现出粘弹性。此外，它在-140至600℃的01至100Hz频率范围内表现出与频率无关的稳定粘弹性。此外，即使在100Hz下施加1%扭转应变100万次后，也没有出现劣化或破损。未来，这种材料可以用作超低温和高温环境下的冲击和振动吸收器。
这项研究的详细内容请参考美国学术期刊《科学''将于2010年12月4日（日本时间）发布。
 |
|
使用碳纳米管粘弹性材料的隔振测试装置（左）。当用液氮冷却（中）和用燃烧器加热（右）时，隔振功能均得以保持。
|
粘弹性材料用途广泛，主要用于吸收冲击和减少振动，从鞋底和床上用品等日常用品到车辆隔振装置、工业隔振器和建筑物隔震装置。然而，它们大多数是橡胶等高分子材料，甚至对温度变化最稳定的硅橡胶，在低温（约-55摄氏度）下会硬化，在高温（约300摄氏度）下会分解，导致其失去作为粘弹性体的特性。而且，由于反复受到压力，吸收能量的能力会恶化并最终断裂。因此，需要开发一种能够在恶劣条件下吸收冲击和减少振动的粘弹性材料。
超生长方法可以高效合成长度达数百微米甚至更长的超长、高纯度碳纳米管结构。由于不含催化剂颗粒，因此即使在高温下也不会氧化，而且由于长度较长，因此具有足够的机械强度。 AIST 正在进行研究，通过设计催化剂制备方法来更精确地控制微观结构。
碳纳米管的强度、弹性和温度稳定性早已为人所知，并且它们作为结构材料引起了人们的关注。此外，人们还对取向碳纳米管、薄膜状碳纳米管和丝状碳纳米管等各种碳纳米管结构的疲劳强度和压缩弹性进行了研究，但尚未对粘弹性进行详细研究。 AIST和TASC通过使用反应离子蚀刻方法制备催化剂，成功合成了碳纳米管垂直和水平缠绕的网络状结构，并决定研究其粘弹性。
这项研究是日本产业技术研究院（AIST）主要推动的筑波创新竞技场（以下简称“TIA”）项目的一部分。
CNT粘弹性体按照以下步骤合成（图1）。通过溅射将铁催化剂沉积在硅基底上，然后用氩离子进行反应离子蚀刻以制备催化剂。使用超级生长方法在该基板上合成碳纳米管，并将所得碳纳米管结构压缩至其密度的四倍，导致尺寸约为10毫米×10毫米×2毫米，密度为0036克/厘米3
 |
|
图1 CNT粘弹性材料合成方法示意图
|
当我们将铁球落到制作的CNT粘弹性体上并使用激光显微镜测量撞击疤痕的形状时，在-196℃、25℃和1000℃下形状没有变化。这表明它在很宽的温度范围内表现出粘弹性。
为了定量评价粘弹性体的特性，使用动态粘弹性测量（DMA）法测量了-140℃至600℃的储能模量、损耗模量和损耗角正切，结果几乎恒定（图2）。此外，在25℃下测得的应力-应变曲线所包围的面积比硅橡胶大，并且吸收了更多的能量。
 |
|
图2 通过DMA法测量的CNT粘弹性体和硅橡胶的损耗模量、储能模量和损耗角正切的温度依赖性
|
当我们在-140℃至600℃的温度范围内测量01Hz至100Hz的振动频率的频率依赖性时，我们证实了与温度和频率无关的粘弹性。作为可逆变形的临界点的临界应变，无论-140℃～600℃的温度如何，均为5％，室温下的断裂应变约为100％。另外，对CNT粘弹性体进行了在-140℃、25℃、600℃下反复施加1％扭转应变100万次的耐久性试验。结果，即使在各温度下的耐久性试验后，储能模量、损耗模量或损耗角正切也没有变化。
这种CNT粘弹性材料之所以在较宽的范围内表现出与温度和频率无关的粘弹性并且具有很强的抗疲劳性，被认为是由于长CNT相互缠绕形成低密度的网络结构。据认为，当网络结构中的CNT之间的交叉点从接触状态转变为解离状态时，应变能主要被吸收。吸收的应变转化为热能，如果它积聚在粘弹性材料中，就会导致性能下降。然而，在具有高孔隙率和良好导热性的CNT粘弹性材料的情况下，热量被有效地耗散，因此被认为表现出稳定的粘弹性。
 |
|
图3 CNT粘弹性体25℃100万次扭转应变测试结果
|
此次开发的CNT结构作为一种极轻质材料，具有在未来用作粘弹性材料的潜力，可以在超低温和高温环境下吸收冲击和振动等能量。该公司除了推进经济产业省产业科学技术环境局委托项目“实现低碳社会的超轻量高强度融合材料项目”的开发外，还将通过提供样品与企业合作，主导应用开发。