成果報告書詳細
管理番号20140000000252
タイトル平成23年度-平成25年度成果報告書 省エネルギー革新技術開発事業 先導研究 カーボンバンドルをユニットとする新規軽量導体の研究開発
公開日2014/6/13
報告書年度2011 - 2013
委託先名古河電気工業株式会社 MEFS株式会社 国立大学法人信州大学
プロジェクト番号P09015
部署名省エネルギー部
和文要約現在,地球温暖化防止の観点から輸送機器分野では厳しい燃費規制や二酸化炭素排出規制が制定され,輸送機器の省エネルギー・軽量化,電力配電分野の軽量化の強いニーズがあるとともに,将来的に稀少金属である銅の高騰の懸念への対応が迫られている.そこで、本先導研究プロジェクトでは,車載用ワイヤーハーネスや各種モーター用巻線をターゲットに,優れた物性を有するカーボンナノチューブ(CNT)を用いて,現行の電線材である銅(銅合金)に代替可能な革新的な超軽量電線を開発することを目指した.
具体的には,これら車載電線導体の重量を銅の約1/5に低減させることにより,自動車走行時のエネルギー使用効率が向上することが期待できる.この実現により,2016年からの顧客との実証試験,2020年からの実車搭載を経て逐次搭載車種を普及させることで,2025年の時点での省エネルギー効果量は原油換算で4.0万キロリットル/年が見込まれる.また,同様に2030年度の省エネルギー効果量は原油換算で11.1万キロリットル/年が見込まれる.
一般に,電線には導電率,長さ,被覆性,接続性,強度,柔軟性,屈曲特性,電線許容電流,耐熱許容特性,耐電圧性,耐環境性という要求性能が求められる.また、CNTは機械特性、化学的安定性、導電性等様々な優れた特性を有しているが、殊に導電性においては理論的には銅を超える予測があるものの、CNT本来の特性が得られていない。本先導研究では,これら要求性能の中でも最も基本性能であるCNTの高導電性を基盤技術として取り組むと共に,電線として実用化するための長尺化,電線化の基礎的な検討を目的として実施した.
ここで高導電化に関しては,導電性が銅よりも低い電線導体を銅と同等に用いるためには,その導電性不足分を電線の断面積増(直径増)で補うが,その際に許容される直径増は約2倍(断面積比で4倍)までである.そこで本研究では,銅の電気抵抗率1.7×10^-6Ω・cmの約4倍である7.5×10^-6Ω・cmをCNTの電気抵抗率として目標値に設定した.また,これまでCNTの長尺化,電線化に関しては,浮遊触媒気相成長法を用いることでCNTが絡み合った繊維状の集合体を得ることに成功しており,その他の目標値はそれぞれCNT線の長さ0.5m以上(太さ100μm±50μm),CNTと被覆材との界面密着強度5N/m以上,被覆厚みの均一性±20%以下(10μm)に設定した.
その結果,浮遊触媒気相成長法による二層CNTを主体とするCNTの合成条件,精緻な構造制御,CNT撚り線の調製,二次処理(不純物除去、硝酸ドーピング等)の最適化により,高導電化においては最終的に目標値を超える電気抵抗率6.3×10^-6Ω・cmを達成することができた。また,CNTと被膜材との密着強度,厚み均一性において目標を達成し,CNTの特異な特性を持つ革新的な超軽量電線の開発に成功した.
英文要約In the field of transportation equipment, stringent mileage regulations and CO2 emission regulations are now in force to help prevent global warming. For that purpose, we need to improve energy efficiency and reduce the weight of transportation equipments. Furthermore, we face the threat of escalating copper prices, which will be a rare metal in the years to come. Therefore, in this research project, we aim to use carbon nanotubes (CNTs) as vehicle wire harnesses and motor windings and develop innovative ways of producing lightweight electrical wires of CNTs that will replace copper wires that are widely used today.
 More specifically, by reducing the weight of on-vehicle electric wires to about one-fifth that of copper wires, the energy efficiency of vehicle travel will be improved. If materialized, the energy savings in 2025 (2030) are expected to be equivalent to 40,000 (111,000) kL/year of crude oil, and thus assuming that verification tests with the client start in 2016 so that use in real cars can start by 2020 and that car types using the material will increase steadily thereafter.
 Generally, electric wiring must satisfy requirements for conductivity, length, coatability, connectivity, strength, flexibility, flexural property, allowable current, heat resistance, voltage endurance and environmental resistance. Especially, the electrical conductivity of CNTs is theoretically superior to that of copper, but although the intrinsic properties of CNTs are yet to be well developed. This research will develop a generic technology for CNTs that achieves sufficient conductivity, and will conduct a fundamental study to create long tubes and wires from CNTs.
 To create a lightweight wire with a resistance as same as that of copper wire, we must compensate for the insufficient conductivity in CNTs by increasing the cross section; to increase the cross sectional area by a factor of four, we must increase the diameter by a factor of two. Therefore, in this study, the target resistivity of CNTs is 7.5x10^-6 Ω*cm, which is four times the resistivity of copper (1.7x10^-6 Ω*cm). We already achieved long CNTs and fabricate wires in our facility using the floating catalytic chemical vapor deposition (FCCVD) method. The related targets are following: CNT wire lengths of more than 0.5 m with diameters of 100 ± 50 μm, interface adhesion strength greater than 5 N/m between CNTs and the coating material, and coating thickness uniformity below ±20% (10 μm).
 As a result, we have achieved a CNT’s resistivity of 6.3x10^-6 Ω*cm higher than the target value by optimizing the fabrication of double-walled CNTs using the FCCVD method, controlling structures of CNTs, and secondary treatments to remove impurities and dope with nitric acid. We have also achieved high adhesion strength between CNTs and the coating material along with uniform thickness of the coating. These advances have allowed us to develop innovative lightweight electric wires with excellent properties of CNTs.
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