パルスナノ秒レーザーと炭素の相互作用のパラメトリック研究

May 12, 2024

Scientific Reports volume 13、記事番号: 2048 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

固体高分子型燃料電池 (PEMFC) 用の厚さ 2.5 mm のカーボン ナノチューブ (CNT) 複合バイポーラ プレートを加工するためのレーザー加工技術が提案されています。 この研究は、パルスナノ秒レーザーを使用して、CNT複合板とレーザーの相互作用を実験的に理解することを目的としています。 侵入深さ、上部幅、スパッタ幅、および全体的な物理的形態が研究されます。 観察と測定には走査型電子顕微鏡（SEM）と3D走査型共焦点顕微鏡を使用しました。 それに基づいてパラメトリック調査が実施され、系統的に報告されます。 最も重要なことは、パルス繰り返し率は相互作用の独特な性質を示し、その結果、3 つの動作体制を区別する重要な繰り返し率が得られるということです。 領域の物理的および化学的特性は、各試験片の表面および断面に対して実行されるビッカース微小硬度試験およびエネルギー分散型 X 線 (EDX) 分析によってさらに分析されます。 結果は、パルス繰り返し率により、加工領域付近の機械的特性と化学組成に変化が生じることが明らかになりました。 結論として、機械的特性、化学組成、および形態学的側面への影響を少なくするには、パルス繰り返しを低くすることを優先する必要があります。

カーボン ナノチューブ (CNT) は、著しく優れた機械的特性 (弾性率と引張強度) と優れた電気伝導性と熱伝導性を備えており、鋼や他の構造材料と比較して軽量でありながら、剛性が高く強力な伝導性材料となります1。 これにより、先進複合社会では、複合材料の進歩のための補強材としての使用が大きな注目を集めました2。 これらの複合材料は、ウェアラブル システム (スマート テキスタイル)、ロボット工学、次世代電子デバイスやエネルギー変換システムなどのさまざまな用途に使用されています3、4、5。 CNT は、優れた機械的、電気的、熱的特性に加えて、直径が数ナノメートル程度であるため、高い表面積対体積比を持っています。 これは、特に体積あたりの電極の有効接触表面積の増加がエネルギー変換効率に重要な役割を果たすバッテリーやエネルギー変換デバイスにおいて、CNT 複合材料に大きなチャンスをもたらしました6、7、8。 CNT は、リチウムイオン電池システム、燃料電池、太陽電池において潜在的に有用なエンフォースメントとして認識されています9、10、11。 金属ナノ粒子を電極として使用した CNT 複合材料は、カーボン ナノチューブ ベースの電極の触媒活性の向上により、水素燃料電池の性能を 2 倍に高めます 12、13。 他の研究では、リチウムイオン電池 14、弾性透明導電性フィルム 15、フラットパネルディスプレイ 16 における CNT の関連性と応用が指摘されています。

さまざまな技術分野における CNT の需要と応用性の高まりに伴い、CNT 複合材料を望ましいサイズ、形状、品質に加工するには効果的な製造プロセスを開発することが不可欠です。 CNT 複合材料の処理に選択される製造方法では、圧力、熱、またはマトリックス材料との化学反応によって生じる可能性のある CNT 構造への損傷を最小限に抑える必要があります。 機械加工や成形などの従来のプロセスには、いくつかの欠点があります。 CNT は強度と硬度が高いため、従来の加工方法では工具の摩耗が激しくなり、工具寿命が短くなり、生産コストが増加します17。 成形された複合材料中の CNT の整列は、成形プロセスにおけるせん断流の影響を大きく受け、その構造や特性に望ましくない変化が生じます 18。

過去数十年にわたるレーザーの性能の継続的な進歩により、エネルギー、バイオテクノロジー、エレクトロニクス、機械工学などのさまざまな分野でレーザーの能力が向上しました19。 ポリマー複合材料の切断において、レーザーは工具の磨耗や振動に伴う欠点のない高い生産速度など、さまざまな利点をもたらします20,21。 レーザーは、脆性と硬度のため、カーボンファイバー複合材やグラファイト複合材などの加工が難しい材料 22 の加工に特に有利です。