JP2021158067A - 接続構造体及び接続構造体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】接続部における組み付け不良を抑制し、導電性が良好な接続構造体及びその製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係る接続構造体１は、複数のカーボンナノチューブ素線１１が撚り合わされたカーボンナノチューブ撚り線１０と、カーボンナノチューブ撚り線１０を挟持する接続部材２０とを備え、カーボンナノチューブ素線１１の密度が０．８ｇ／ｃｍ３以上であり、カーボンナノチューブ撚り線１０の撚り度が３０Ｔ／ｍ以上であり、カーボンナノチューブ撚り線１０の熱膨張係数が−０．０５×１０−５／Ｋ以下であり、且つ、接続部材２０の熱膨張係数が０／Ｋより大きい。【選択図】図１
Description
本発明は、接続構造体及び接続構造体の製造方法に関し、特に、複数のカーボンナノチューブ素線が撚り合わされたカーボンナノチューブ撚り線と、当該カーボンナノチューブ撚り線を挟持する接続部材との接続構造体及びその製造方法に関する。
自動車、産業機器などの様々な分野における電力線又は信号線を他の部材に接続するために、導体が端子等の接続部材に接続された端子付き電線が用いられている。導体を構成する線材の材料として、通常、電気特性の観点から銅又は銅合金等の金属線が使用されている。
一方、近年の自動車の軽量化、車内スペースの拡大、信号線の増加等に伴い、電線の軽量化が求められている。電線の軽量化の１つに、導体としてカーボンナノチューブを用いる技術が知られている。カーボンナノチューブは、様々な特性を有する素材であり、多くの分野への応用が期待されている。例えば、カーボンナノチューブは、軽量であると共に、導電性、熱伝導性、機械的強度等の諸特性に優れるため、線材の材料として有望視されている。
カーボンナノチューブの比重は、銅の比重の約１／５（アルミニウムの約１／２）であり、また、カーボンナノチューブ単体は、銅（抵抗率１．６８×１０−６Ω・ｃｍ）よりも高導電性を示す。よって、理論的には、複数のカーボンナノチューブを束ねてカーボンナノチューブ線材を形成すれば、更なる軽量化、高導電率の実現が可能となる。
また、カーボンナノチューブ線材に端子等の部材を接続して接続構造体を作製する場合、車両などの移動体用の接続構造体に求められる電気的特性、機械的強度を実現するために、カーボンナノチューブ線材と端子との接合部において一定の導電性、密着性、強度等を確保する必要がある。
このような接合部に要求される特性を確保する技術の一例として、特許文献１には、カーボンナノチューブ導体を金属製の端子に圧着接合させた接続構造体が開示されている。特許文献２には、カーボンナノチューブ導体の外表面をカーボンナノチューブよりも電気伝導性が高い金属材料でコーティングし、このカーボンナノチューブ導体を電気端子に圧着させた電線アセンブリが開示されている。
しかしながら、カーボンナノチューブ素線は繊維状の軟らかい素線であるため、カーボンナノチューブ線材を端子等の部材に接続する場合、端子からカーボンナノチューブ素線のはみ出しが起こりやすく、端子との組み付けが煩わしくなる問題がある。また、カーボンナノチューブ素線の組み付け不良が生じて、導電性の低下を招くおそれがある。そのため、接続部における素線のはみ出しを防止し、導電性を確保できる接続構造体及びその製造方法の開発が望まれる。
本発明は、接続部における組み付け不良を抑制し、導電性が良好な接続構造体及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の要旨構成は、以下の通りである。
［１］ 複数のカーボンナノチューブ素線が撚り合わされたカーボンナノチューブ撚り線と、前記カーボンナノチューブ撚り線を挟持する接続部材とを備える接続構造体であって、
前記カーボンナノチューブ素線の密度が０．８ｇ／ｃｍ３以上であり、
前記カーボンナノチューブ撚り線の撚り度が３０Ｔ／ｍ以上であり、
前記カーボンナノチューブ撚り線の熱膨張係数が−０．０５×１０−５／Ｋ以下であり、且つ、
前記接続部材の熱膨張係数が０／Ｋより大きいことを特徴とする接続構造体。
［２］ 前記カーボンナノチューブ撚り線の熱膨張係数が−０．０８×１０−５／Ｋ以下である、［１］に記載の接続構造体。
［３］ 前記接続部材が前記カーボンナノチューブ撚り線を挿入する開口部を有し、
前記開口部の円相当直径に対する前記カーボンナノチューブ撚り線の円相当直径の比が１以上である、［１］又は［２］に記載の接続構造体。
［４］ 前記接続部材が端子である、［１］乃至［３］までのいずれか１つに記載の接続構造体。
［５］ ０．８ｇ／ｃｍ３以上の密度を有する複数のカーボンナノチューブ素線を撚り合わせて、−０．０５×１０−５／Ｋ以下の熱膨張係数及び３０Ｔ／ｍ以上の撚り度を有するカーボンナノチューブ撚り線を準備する工程と、
熱膨張係数が０／Ｋより大きい接続部材を加熱して膨張させる工程と、
膨張した前記接続部材の開口部に前記カーボンナノチューブ撚り線を挿入する工程と、
前記カーボンナノチューブ撚り線が挿入された前記接続部材を収縮させる工程と、
を含むことを特徴とする接続構造体の製造方法。
［１］ 複数のカーボンナノチューブ素線が撚り合わされたカーボンナノチューブ撚り線と、前記カーボンナノチューブ撚り線を挟持する接続部材とを備える接続構造体であって、
前記カーボンナノチューブ素線の密度が０．８ｇ／ｃｍ３以上であり、
前記カーボンナノチューブ撚り線の撚り度が３０Ｔ／ｍ以上であり、
前記カーボンナノチューブ撚り線の熱膨張係数が−０．０５×１０−５／Ｋ以下であり、且つ、
前記接続部材の熱膨張係数が０／Ｋより大きいことを特徴とする接続構造体。
［２］ 前記カーボンナノチューブ撚り線の熱膨張係数が−０．０８×１０−５／Ｋ以下である、［１］に記載の接続構造体。
［３］ 前記接続部材が前記カーボンナノチューブ撚り線を挿入する開口部を有し、
前記開口部の円相当直径に対する前記カーボンナノチューブ撚り線の円相当直径の比が１以上である、［１］又は［２］に記載の接続構造体。
［４］ 前記接続部材が端子である、［１］乃至［３］までのいずれか１つに記載の接続構造体。
［５］ ０．８ｇ／ｃｍ３以上の密度を有する複数のカーボンナノチューブ素線を撚り合わせて、−０．０５×１０−５／Ｋ以下の熱膨張係数及び３０Ｔ／ｍ以上の撚り度を有するカーボンナノチューブ撚り線を準備する工程と、
熱膨張係数が０／Ｋより大きい接続部材を加熱して膨張させる工程と、
膨張した前記接続部材の開口部に前記カーボンナノチューブ撚り線を挿入する工程と、
前記カーボンナノチューブ撚り線が挿入された前記接続部材を収縮させる工程と、
を含むことを特徴とする接続構造体の製造方法。
本発明の接続構造体の態様によれば、複数のカーボンナノチューブ素線が撚り合わされたカーボンナノチューブ撚り線と、前記カーボンナノチューブ撚り線を挟持する接続部材とを備え、カーボンナノチューブ素線の密度が０．８ｇ／ｃｍ３以上であり、カーボンナノチューブ撚り線の撚り度が３０Ｔ／ｍ以上であり、カーボンナノチューブ撚り線の熱膨張係数が−０．０５×１０−５／Ｋ以下であり、且つ、接続部材の熱膨張係数が０／Ｋより大きいことにより、カーボンナノチューブ素線のはみ出しが低減し、接続部における組み付け効率が向上する。また、繊維状のカーボンナノチューブ素線の羽毛立ちが低減し、カーボンナノチューブ撚り線の締まりが向上するため、接続部において導電性が確保しやすい。したがって、接続部における組み付け不良が抑制され、導電性が良好な接続構造体を提供することができる。
本発明の接続構造体の態様によれば、カーボンナノチューブ撚り線の熱膨張係数が−０．０８×１０−５／Ｋ以下であることにより、接続部における組み付け不良をより改善することができる。
本発明の接続構造体の態様によれば、接続部材が前記カーボンナノチューブ撚り線を挿入する開口部を有し、開口部の円相当直径に対するカーボンナノチューブ撚り線の円相当直径の比が１以上であることにより、導電性をより向上させることができる。
本発明の接続構造体の製造方法の態様によれば、０．８ｇ／ｃｍ３以上の密度を有する複数のカーボンナノチューブ素線を撚り合わせて、−０．０５×１０−５／Ｋ以下の熱膨張係数及び３０Ｔ／ｍ以上の撚り度を有するカーボンナノチューブ撚り線を準備する工程と、熱膨張係数が０／Ｋより大きい接続部材を加熱して膨張させる工程と、膨張した接続部材の開口部にカーボンナノチューブ撚り線を挿入する工程と、カーボンナノチューブ撚り線が挿入された接続部材を収縮させる工程と、を含むことにより、接続部におけるカーボンナノチューブ素線のはみ出しが抑制される。したがって、接続部における組み付け不良が抑制され、導電性の確保が容易な接続構造体の製造方法を提供することができる。
以下、本発明の実施形態に係る接続構造体及びその製造方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。
＜接続構造体＞
図１は、実施形態に係る接続構造体の一例を示す概略模式図である。図１に示すように、接続構造体１は、カーボンナノチューブ撚り線（以下、「ＣＮＴ撚り線」ということがある。）１０と、ＣＮＴ撚り線１０を挟持する接続部材２０とを備えている。接続部材２０はＣＮＴ撚り線１０を挿入するための開口部２１を有しており、ＣＮＴ撚り線１０は開口部２１を介して接続部材２０に挟持されている。尚、図１における接続構造体１において、各構成の形状、寸法等は図１のものに限られないものとする。
図１は、実施形態に係る接続構造体の一例を示す概略模式図である。図１に示すように、接続構造体１は、カーボンナノチューブ撚り線（以下、「ＣＮＴ撚り線」ということがある。）１０と、ＣＮＴ撚り線１０を挟持する接続部材２０とを備えている。接続部材２０はＣＮＴ撚り線１０を挿入するための開口部２１を有しており、ＣＮＴ撚り線１０は開口部２１を介して接続部材２０に挟持されている。尚、図１における接続構造体１において、各構成の形状、寸法等は図１のものに限られないものとする。
［ＣＮＴ撚り線］
ＣＮＴ撚り線１０は、複数のカーボンナノチューブ素線（以下、「ＣＮＴ素線」ということがある。）１１が撚り合わされて形成されている。ＣＮＴの線材を撚り線の形態とすることで、線材を太線化することができ、強度が向上する。ＣＮＴ撚り線１０では、互いに隣接する各ＣＮＴ素線１１が直接接触している。また、ＣＮＴ素線１１は長手方向の導電性に優れている。そのため、ＣＮＴ撚り線１０は、全体で優れた導電性を発揮する。ＣＮＴ撚り線１０の円相当直径は、特に限定されないが、例えば０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下である。尚、円相当直径は、断面観察から断面積を算出し、これと同じ面積となる円の直径を算出することにより求められる。
ＣＮＴ撚り線１０は、複数のカーボンナノチューブ素線（以下、「ＣＮＴ素線」ということがある。）１１が撚り合わされて形成されている。ＣＮＴの線材を撚り線の形態とすることで、線材を太線化することができ、強度が向上する。ＣＮＴ撚り線１０では、互いに隣接する各ＣＮＴ素線１１が直接接触している。また、ＣＮＴ素線１１は長手方向の導電性に優れている。そのため、ＣＮＴ撚り線１０は、全体で優れた導電性を発揮する。ＣＮＴ撚り線１０の円相当直径は、特に限定されないが、例えば０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下である。尚、円相当直径は、断面観察から断面積を算出し、これと同じ面積となる円の直径を算出することにより求められる。
ＣＮＴ撚り線１０には、異種元素がドープされていてもよい。この場合、ＣＮＴ撚り線１０は、ＣＮＴ素線１１に異種元素がドープされたカーボンナノチューブ複合体の複数が撚り合わされて形成されてもよい。異種元素のドーピングにより、ＣＮＴ撚り線１０の導電性を向上させることができる。異種元素として、例えば、硝酸、硫酸、ヨウ素、臭素、カリウム、ナトリウム、ホウ素及び窒素からなる群から選択される１つ以上の元素又は分子が挙げられる。
ＣＮＴ撚り線１０は、複数のＣＮＴ素線１１を束ねて一端を固定した状態で、もう一端を所定の回数ひねることで、撚り線として形成することができる。ＣＮＴ撚り線１０の撚り度は、複数のＣＮＴ素線１１を撚り合わせた際のＣＮＴ撚り線１０の単位長さ当たりの巻き数で表される。すなわち、撚り度は、複数のＣＮＴ素線１１のひねった回数（Ｔ）をＣＮＴ撚り線１０の長さ（ｍ）で除した値（単位：Ｔ／ｍ）で表すことができる。ＣＮＴ撚り線１０の撚り度は３０Ｔ／ｍ以上であり、５０Ｔ／ｍ以上であることが好ましく、１００Ｔ／ｍ以上であることがより好ましい。ＣＮＴ撚り線１０の撚り度が３０Ｔ／ｍ以上であることにより、ＣＮＴ素線１１同士がより密着してＣＮＴ素線１１のはみ出しが抑制され、生産効率が向上する。そのため、接続部における組み付け不良が改善され、組み付け不良に起因する導電性の低下を抑制することができる。また、ＣＮＴ撚り線１０の撚り度を高くする程、組み付け不良をより改善できる傾向がある。尚、複数のＣＮＴ素線１１を過剰に撚り合わせることによるＣＮＴ素線１１の断線を防止するため、撚り度の上限は、３０００Ｔ／ｍ以下であることが好ましく、１０００Ｔ／ｍ以下であることがより好ましく、４００Ｔ／ｍ以下であることがさらに好ましい。
ＣＮＴ撚り線１０の熱膨張係数は−０．０５×１０−５／Ｋ以下であり、−０．０８×１０−５／Ｋ以下であることが好ましい。ＣＮＴ撚り線１０の熱膨張係数が−０．０５×１０−５／Ｋ以下であることにより、接続部において繊維状のＣＮＴ素線１１の羽毛立ちが低減し、ＣＮＴ撚り線１０の締まりが向上する。これにより、接続部における組み付け効率が向上し、導電性を確保しやすくなる。また、ＣＮＴ撚り線１０の熱膨張係数が−０．０８×１０−５／Ｋ以下であることにより、接続部における組み付け不良をより改善することができる。
ＣＮＴ素線１１は、１層以上の層構造を有する長尺なカーボンナノチューブ（以下、「ＣＮＴ」ということがある。）の束であり、複数のＣＮＴが纏められて構成されている。ＣＮＴの長手方向がＣＮＴ素線１１の長手方向を形成している。ここで、ＣＮＴ撚り線１０はＣＮＴの割合が９０質量％以上のＣＮＴ線材を意味する。尚、ＣＮＴ撚り線におけるＣＮＴ割合の算定においては、メッキとドーパントは除かれる。ＣＮＴ素線１１の長手方向が、ＣＮＴ撚り線１０の長手方向を形成しているため、ＣＮＴ素線１１は線状となっている。
ＣＮＴ素線１１の本数は、１０本以上１０００本以下であることが好ましく、５０本以上３００本以下であることがより好ましく、１００本以上２００本以下であることがさらに好ましい。ＣＮＴ素線１１の本数が多い程、ＣＮＴ撚り線１０の強度を向上させることができる。そのため、強度の向上と生産性のバランスの観点から、複数のＣＮＴ素線１１の本数は１０本以上１０００本以下であることが好ましい。
ＣＮＴ素線１１の密度は、０．８ｇ／ｃｍ３以上であり、１．０ｇ／ｃｍ３以上であることが好ましく、１．３ｇ／ｃｍ３以上であることがより好ましい。ＣＮＴ素線１１の密度が０．８ｇ／ｃｍ３以上であることにより、ＣＮＴ素線１１同士が密着しやすくなり、ＣＮＴ素線１１のはみ出しが抑制され、生産効率が向上する。そのため、接続部における組み付け不良が改善され、組み付け不良に起因する導電性の低下を抑制することができる。また、ＣＮＴ素線１１の密度が高い程、ＣＮＴ撚り線１０の強度をより向上させることができる。
ＣＮＴ素線１１を構成するＣＮＴは、単層構造又は複層構造を有する筒状体であり、それぞれＳＷＮＴ（Single-walled nanotube）、ＭＷＮＴ（Multi-walled nanotube）と呼ばれる。例えば、２層構造を有するＣＮＴは、六角形格子の網目構造を有する２つの筒状体が略同軸で配された３次元網目構造体となっており、ＤＷＮＴ（Double-walled nanotube）と呼ばれる。構成単位である六角形格子は、その頂点に炭素原子が配された六員環であり、他の六員環と隣接してこれらが連続的に結合している。
ＣＮＴの性質は、上記筒状体のカイラリティ（chirality）に依存する。カイラリティは、アームチェア型、ジグザグ型、及びそれ以外のカイラル型に大別され、アームチェア型は金属性、カイラル型は半導体性、ジグザグ型はその中間の挙動を示す。よってＣＮＴの導電性はいずれのカイラリティを有するかによって大きく異なる。
［接続部材］
接続部材２０は、ＣＮＴ撚り線１０と電気的に接続している。ＣＮＴ撚り線１０が接続部材２０の開口部２１の内部に挿入され、接続部材２０が収縮することによりＣＮＴ撚り線１０が接続部材２０に挟持される。これにより、接続部材２０とＣＮＴ撚り線１０とが組み付けられた接続部（図示せず）が形成される。接続部材２０は高温下（例えば２００℃）で膨張する筒状体であり、冷却により膨張した接続部材２０が収縮する。すなわち、接続部材２０は熱収縮性を示す材料で形成されており、０／Ｋより大きい熱膨張係数を有する。また、ＣＮＴ撚り線１０と電気的に接続するため、接続部材２０は導電性を有する金属部材であることが好ましい。導電性が高い金属部材の材料として、例えば、銅、アルミニウム、スズ、鉛、鉄、亜鉛、ニッケル、タンタル、パラジウム、金及び銀からなる群から選択される金属、又はその合金が挙げられる。これらの特性を満たす接続部材２０として、端子が好ましく、筒状端子がより好ましい。
接続部材２０は、ＣＮＴ撚り線１０と電気的に接続している。ＣＮＴ撚り線１０が接続部材２０の開口部２１の内部に挿入され、接続部材２０が収縮することによりＣＮＴ撚り線１０が接続部材２０に挟持される。これにより、接続部材２０とＣＮＴ撚り線１０とが組み付けられた接続部（図示せず）が形成される。接続部材２０は高温下（例えば２００℃）で膨張する筒状体であり、冷却により膨張した接続部材２０が収縮する。すなわち、接続部材２０は熱収縮性を示す材料で形成されており、０／Ｋより大きい熱膨張係数を有する。また、ＣＮＴ撚り線１０と電気的に接続するため、接続部材２０は導電性を有する金属部材であることが好ましい。導電性が高い金属部材の材料として、例えば、銅、アルミニウム、スズ、鉛、鉄、亜鉛、ニッケル、タンタル、パラジウム、金及び銀からなる群から選択される金属、又はその合金が挙げられる。これらの特性を満たす接続部材２０として、端子が好ましく、筒状端子がより好ましい。
＜開口部の円相当直径に対するＣＮＴ撚り線の円相当直径の比＞
本実施形態に係る接続構造体１において、接続部材２０が有する開口部２１の円相当直径に対するＣＮＴ撚り線１０の円相当直径の比が０．９以上であることが好ましく、１以上であることがより好ましく、１．０５以上あることがさらに好ましい。これにより、接続部材２０の熱収縮性を利用してＣＮＴ撚り線１０と接続部材２０との接続がより強固になり、導電性をより確保しやすくなる。特に、接続部材２０が有する開口部２１の円相当直径に対するＣＮＴ撚り線１０の円相当直径の比が１．０５以上あることにより、導電性がより向上する。尚、膨張した接続部材２０の開口部２１にＣＮＴ撚り線１０を挿入しやすくするため、開口部２１の円相当直径に対するＣＮＴ撚り線１０の円相当直径の比の上限は１．２以下であることが好ましい。
本実施形態に係る接続構造体１において、接続部材２０が有する開口部２１の円相当直径に対するＣＮＴ撚り線１０の円相当直径の比が０．９以上であることが好ましく、１以上であることがより好ましく、１．０５以上あることがさらに好ましい。これにより、接続部材２０の熱収縮性を利用してＣＮＴ撚り線１０と接続部材２０との接続がより強固になり、導電性をより確保しやすくなる。特に、接続部材２０が有する開口部２１の円相当直径に対するＣＮＴ撚り線１０の円相当直径の比が１．０５以上あることにより、導電性がより向上する。尚、膨張した接続部材２０の開口部２１にＣＮＴ撚り線１０を挿入しやすくするため、開口部２１の円相当直径に対するＣＮＴ撚り線１０の円相当直径の比の上限は１．２以下であることが好ましい。
開口部２１の円相当直径の範囲は、例えば、０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましい。尚、開口部２１の円相当直径は、開口部２１の開口部分の面積と同じ面積の円の直径であり、開口部分の面積は、例えば、マイクロスコープによる開口部の観察画像から測定される。
＜接続構造体の製造方法＞
図２は、本実施形態に係る接続構造体の製造方法の一例を示すフローチャートである。図２に示されるように、本実施形態係る接続構造体の製造方法は、０．８ｇ／ｃｍ３以上の密度を有する複数のカーボンナノチューブ素線を撚り合わせて、−０．０５×１０−５／Ｋ以下の熱膨張係数及び３０Ｔ／ｍ以上の撚り度を有するカーボンナノチューブ撚り線を準備する工程（ステップＳ１）と、熱膨張係数が０／Ｋより大きい接続部材を加熱して膨張させる工程（ステップＳ２）と、膨張した接続部材の開口部にカーボンナノチューブ撚り線を挿入する工程（ステップＳ３）と、カーボンナノチューブ撚り線が挿入された接続部材を収縮させる工程（ステップＳ４）と、を含んでいる。
図２は、本実施形態に係る接続構造体の製造方法の一例を示すフローチャートである。図２に示されるように、本実施形態係る接続構造体の製造方法は、０．８ｇ／ｃｍ３以上の密度を有する複数のカーボンナノチューブ素線を撚り合わせて、−０．０５×１０−５／Ｋ以下の熱膨張係数及び３０Ｔ／ｍ以上の撚り度を有するカーボンナノチューブ撚り線を準備する工程（ステップＳ１）と、熱膨張係数が０／Ｋより大きい接続部材を加熱して膨張させる工程（ステップＳ２）と、膨張した接続部材の開口部にカーボンナノチューブ撚り線を挿入する工程（ステップＳ３）と、カーボンナノチューブ撚り線が挿入された接続部材を収縮させる工程（ステップＳ４）と、を含んでいる。
（ステップＳ１）
まず、ＣＮＴを作製し、得られた複数のＣＮＴからＣＮＴ素線を作製する。次いで、得られた複数のＣＮＴ素線を撚り合わせてＣＮＴ撚り線を作製する。ＣＮＴは、例えば、浮遊触媒法（特許第5819888号）、基板法（特許第5590603号）等の方法で作製することができる。また、ＣＮＴ素線は、例えば、乾式紡糸（特許第5819888号、特許第5990202号、特許第5350635号）、湿式紡糸（特許第5135620号、特許第5131571号、特許第5288359号）、液晶紡糸（特表2014-530964）等の方法で作製することができる。
まず、ＣＮＴを作製し、得られた複数のＣＮＴからＣＮＴ素線を作製する。次いで、得られた複数のＣＮＴ素線を撚り合わせてＣＮＴ撚り線を作製する。ＣＮＴは、例えば、浮遊触媒法（特許第5819888号）、基板法（特許第5590603号）等の方法で作製することができる。また、ＣＮＴ素線は、例えば、乾式紡糸（特許第5819888号、特許第5990202号、特許第5350635号）、湿式紡糸（特許第5135620号、特許第5131571号、特許第5288359号）、液晶紡糸（特表2014-530964）等の方法で作製することができる。
例えば、ＣＮＴ素線の密度は、湿式紡糸、液晶紡糸におけるカーボンナノチューブ分散液の濃度で調整することができ、ＣＮＴ撚り線の熱膨張係数は、原料として使用するＣＮＴのアスペクト比で調整することができる。また、複数のＣＮＴ素線を所望の本数で撚り合わせ、ＣＮＴ撚り線の単位長さ（１ｍ）当たりの巻き数を調整することで、ＣＮＴ撚り線の撚り度を制御できる。
（ステップＳ２）
続いて、接続部材を高温下で加熱して膨張させる。加熱温度は使用する接続部材の材料に応じて異なるが、１５０℃〜４００℃であることが好ましい。接続部材の熱膨張係数が０／Ｋより大きいため、接続部材が加熱により膨潤し、開口部の内部にＣＮＴ撚り線を円滑に挿入できるようになる。
続いて、接続部材を高温下で加熱して膨張させる。加熱温度は使用する接続部材の材料に応じて異なるが、１５０℃〜４００℃であることが好ましい。接続部材の熱膨張係数が０／Ｋより大きいため、接続部材が加熱により膨潤し、開口部の内部にＣＮＴ撚り線を円滑に挿入できるようになる。
（ステップＳ３）
続いて、膨張した接続部材の開口部にＣＮＴ撚り線を挿入する。高温下に曝した接続部材からの熱がＣＮＴ撚り線に伝導し、−０．０５×１０−５／Ｋ以下の熱膨張係数を有するＣＮＴ撚り線はその熱により収縮する。これにより、繊維状のＣＮＴ素線の羽毛立ちが低減し、ＣＮＴ撚り線の締まりが向上する。また、ＣＮＴ撚り線の円相当直径が開口部の円相当直径よりも大きい場合にも、接続部材の膨潤により開口部の直径が一時的に大きくなり、ＣＮＴ撚り線の円相当直径は収縮により一時的に小さくなるため、開口部の内部にＣＮＴ撚り線を挿入することができる。尚、開口部に挿入されるＣＮＴ撚り線として、事前にＣＮＴ撚り線を熱収縮させ、その状態のＣＮＴ撚り線を使用してもよい。
続いて、膨張した接続部材の開口部にＣＮＴ撚り線を挿入する。高温下に曝した接続部材からの熱がＣＮＴ撚り線に伝導し、−０．０５×１０−５／Ｋ以下の熱膨張係数を有するＣＮＴ撚り線はその熱により収縮する。これにより、繊維状のＣＮＴ素線の羽毛立ちが低減し、ＣＮＴ撚り線の締まりが向上する。また、ＣＮＴ撚り線の円相当直径が開口部の円相当直径よりも大きい場合にも、接続部材の膨潤により開口部の直径が一時的に大きくなり、ＣＮＴ撚り線の円相当直径は収縮により一時的に小さくなるため、開口部の内部にＣＮＴ撚り線を挿入することができる。尚、開口部に挿入されるＣＮＴ撚り線として、事前にＣＮＴ撚り線を熱収縮させ、その状態のＣＮＴ撚り線を使用してもよい。
（ステップＳ４）
最後に、ＣＮＴ撚り線が挿入された接続部材を冷却し収縮させる。これにより、接続部材とＣＮＴ撚り線とが組み付けられた接続部が開口部の内部で形成され、ＣＮＴ撚り線は開口部を介して接続部材に挟持される。接続部材の冷却は、特に限定されるものではなく、空冷等が挙げられる。こうして、接続部におけるＣＮＴ素線のはみ出しに起因する接続不良が防止され、導電性を確保することができる。
最後に、ＣＮＴ撚り線が挿入された接続部材を冷却し収縮させる。これにより、接続部材とＣＮＴ撚り線とが組み付けられた接続部が開口部の内部で形成され、ＣＮＴ撚り線は開口部を介して接続部材に挟持される。接続部材の冷却は、特に限定されるものではなく、空冷等が挙げられる。こうして、接続部におけるＣＮＴ素線のはみ出しに起因する接続不良が防止され、導電性を確保することができる。
本実施形態における接続構造体１は、自動車、電気機器、制御機器等の様々な分野における電力線、信号線としての電線を他の部材に接続するための接続構造体として使用することができ、特に、自動車用ワイヤハーネスに接続するための接続構造体としての使用に好適である。
以上、本発明の実施形態に係る接続構造体及びその製造方法について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の概念に含まれるあらゆる態様を含み、本発明の範囲内で種々に改変することができる。
次に、本発明の実施例について説明するが、本発明はその趣旨を超えない限りこれらの実施例に限定されるものではない。
［実施例１〜１０及び比較例１〜３］
実施例１〜１０及び比較例１〜３について、以下の製造工程により接続構造体を作製した。
実施例１〜１０及び比較例１〜３について、以下の製造工程により接続構造体を作製した。
＜ＣＮＴ撚り線の作製＞
先ず、浮遊触媒法で作製したＣＮＴを用いて、湿式紡糸で表１に示す密度を有するＣＮＴ素線（素線径：５０μｍ）をそれぞれ作製した。次いで、得られたＣＮＴ素線を表１に示す本数及び撚り数にて撚り合わせてＣＮＴ撚り線をそれぞれ作製した。尚、ＣＮＴ撚り線の熱膨張係数は、使用するＣＮＴのアスペクト比を調整することで制御した。
先ず、浮遊触媒法で作製したＣＮＴを用いて、湿式紡糸で表１に示す密度を有するＣＮＴ素線（素線径：５０μｍ）をそれぞれ作製した。次いで、得られたＣＮＴ素線を表１に示す本数及び撚り数にて撚り合わせてＣＮＴ撚り線をそれぞれ作製した。尚、ＣＮＴ撚り線の熱膨張係数は、使用するＣＮＴのアスペクト比を調整することで制御した。
＜接続構造体の作製＞
（実施例１〜１０及び比較例１〜３）
銅製又はアルミニウム製の筒状端子を３００℃で加熱し、筒状端子を膨張させた。膨張した筒状端子の内部に作製したＣＮＴ撚り線を挿入し、次いで空冷で冷却して筒状端子を収縮させることにより、ＣＮＴ撚り線が筒状端子の内部に挟持された接続構造体を作製した。尚、筒状端子の熱膨張係数は、ＪＩＳ Ｚ ２２８５：２００３に記載の方法に準拠して測定した。
（実施例１〜１０及び比較例１〜３）
銅製又はアルミニウム製の筒状端子を３００℃で加熱し、筒状端子を膨張させた。膨張した筒状端子の内部に作製したＣＮＴ撚り線を挿入し、次いで空冷で冷却して筒状端子を収縮させることにより、ＣＮＴ撚り線が筒状端子の内部に挟持された接続構造体を作製した。尚、筒状端子の熱膨張係数は、ＪＩＳ Ｚ ２２８５：２００３に記載の方法に準拠して測定した。
このように作製した接続構造体について以下の測定及び評価を行った。
＜ＣＮＴ素線の密度＞
ＣＮＴ素線１ｃｍを、密度勾配管（柴山科学器械製作所社製）に投入し、ＣＮＴ素線の密度を測定した。
ＣＮＴ素線１ｃｍを、密度勾配管（柴山科学器械製作所社製）に投入し、ＣＮＴ素線の密度を測定した。
＜ＣＮＴ撚り線の熱膨張係数＞
熱機械分析（ＴＭＡ：Thermomechanical Analysis）を用いて、ＣＮＴ撚り線の試験片（３ｃｍ）の温度を変化させながら、一定荷重を与えた状態で求めたＴＭＡ曲線（変位量）より算出した。
熱機械分析（ＴＭＡ：Thermomechanical Analysis）を用いて、ＣＮＴ撚り線の試験片（３ｃｍ）の温度を変化させながら、一定荷重を与えた状態で求めたＴＭＡ曲線（変位量）より算出した。
＜開口部の円相当直径に対するＣＮＴ撚り線の円相当直径の比＞
断面のマイクロスコープ写真からＣＮＴ撚り線の断面積を求め、その値からＣＮＴ撚り線の円相当直径（以下、「ＣＮＴ線材径」ともいう）を算出した。また、マイクロスコープ写真から筒状端子の開口部分の面積を計測し、同じ面積になる円の直径を算出し、これを開口部の円相当直径（以下、「端子径」ともいう）とした。得られたＣＮＴ線材径、端子径に基づき、端子径に対するＣＮＴ線材径の比を算出した。
断面のマイクロスコープ写真からＣＮＴ撚り線の断面積を求め、その値からＣＮＴ撚り線の円相当直径（以下、「ＣＮＴ線材径」ともいう）を算出した。また、マイクロスコープ写真から筒状端子の開口部分の面積を計測し、同じ面積になる円の直径を算出し、これを開口部の円相当直径（以下、「端子径」ともいう）とした。得られたＣＮＴ線材径、端子径に基づき、端子径に対するＣＮＴ線材径の比を算出した。
＜接続抵抗＞
四端子法により接続抵抗を計測した。接続抵抗が１０ｍΩ以下であれば、導電性が良好であると評価した。
四端子法により接続抵抗を計測した。接続抵抗が１０ｍΩ以下であれば、導電性が良好であると評価した。
＜組み付け不良＞
接続部のマイクロスコープ観察によりＣＮＴ素線が端子からはみ出した割合を計測した。ＣＮＴ撚り線を構成するＣＮＴ素線のうち、はみ出したＣＮＴ素線の割合が５％未満の場合には「〇」、５％以上１０％未満の場合には「△」、１０％以上の場合には「×」とそれぞれ判断し、「△」以上であれば組み付け不良が抑制されていると評価した。
接続部のマイクロスコープ観察によりＣＮＴ素線が端子からはみ出した割合を計測した。ＣＮＴ撚り線を構成するＣＮＴ素線のうち、はみ出したＣＮＴ素線の割合が５％未満の場合には「〇」、５％以上１０％未満の場合には「△」、１０％以上の場合には「×」とそれぞれ判断し、「△」以上であれば組み付け不良が抑制されていると評価した。
各実施例及び比較例作製した接続構造体の測定及び評価結果を、下記表１に示す。
表１に示すように、ＣＮＴ撚り線が筒状端子の内部に挟持された接続構造体において、ＣＮＴ素線の密度が０．８ｇ／ｃｍ３以上であり、ＣＮＴ撚り線の撚り度が３０Ｔ／ｍ以上であり、且つＣＮＴ撚り線の熱膨張係数が−０．０５×１０−５／Ｋ以下である実施例１〜１０では、いずれも、接続抵抗が５ｍΩ以下であり、得られた接続構造体は良好な導電性を示した。また、ＣＮＴのはみ出しについてもＣＮＴ撚り線を構成するＣＮＴ素線のうち、はみ出したＣＮＴ素線の割合が１０％未満であった。そのため、実施例１〜１０では、接続部における組み付け不良が抑制され、導電性が良好な接続構造体を得ることができた。特に、端子径に対するＣＮＴ線材径の比が１．０８である実施例９では、導電性がより向上した接続構造体を得ることができた。
一方、ＣＮＴ素線の密度が０．７ｇ／ｃｍ３である比較例１では、接続抵抗が１２ｍΩであり、実施例１〜１０と比較して導電性が劣っていた。また、比較例１では、ＣＮＴのはみ出しについてＣＮＴ撚り線を構成するＣＮＴ素線のうち、はみ出したＣＮＴ素線の割合が１０％以上であったため、接続部における組み付け不良が生じていた。
また、ＣＮＴ撚り線の撚り度が２０Ｔ／ｍである比較例２では、接続抵抗が１０ｍΩであり、実施例１〜１０と比較して導電性が劣っていた。また、比較例２では、ＣＮＴのはみ出しについてＣＮＴ撚り線を構成するＣＮＴ素線のうち、はみ出したCNT素線の割合が１０％以上であったため、接続部における組み付け不良が生じていた。
また、ＣＮＴ撚り線の熱膨張係数が−０．０４×１０−５／Ｋである比較例３では、接続抵抗が７ｍΩであり、良好な導電性を示すものの、実施例１〜１０と比較して導電性がやや劣っていた。一方、比較例３では、ＣＮＴのはみ出しについてＣＮＴ撚り線を構成するＣＮＴ素線のうち、はみ出したＣＮＴ素線の割合が１０％以上であったため、接続部における組み付け不良が生じていた。
このように、カーボンナノチューブ撚り線が接続部材に挟持された接続構造体において、ＣＮＴ素線の密度が０．８ｇ／ｃｍ３以上であり、ＣＮＴ撚り線の撚り度が３０Ｔ／ｍ以上であり、且つＣＮＴ撚り線の熱膨張係数が−０．０５×１０−５／Ｋ以下であることにより、接続部における組み付け不良を抑制し、導電性が良好な接続構造体を提供することができる。また、このような接続構造体を、接続部材の熱収縮を利用して作製することにより、接続部におけるカーボンナノチューブ素線のはみ出しが抑制される。これにより、接続部における組み付け不良が抑制され、導電性の確保が容易な接続構造体の製造方法を提供することができる。
１ 接続構造体
１０ カーボンナノチューブ撚り線
２０ 接続部材
２１ 開口部
１０ カーボンナノチューブ撚り線
２０ 接続部材
２１ 開口部
Claims (5)
- 複数のカーボンナノチューブ素線が撚り合わされたカーボンナノチューブ撚り線と、前記カーボンナノチューブ撚り線を挟持する接続部材とを備える接続構造体であって、
前記カーボンナノチューブ素線の密度が０．８ｇ／ｃｍ３以上であり、
前記カーボンナノチューブ撚り線の撚り度が３０Ｔ／ｍ以上であり、
前記カーボンナノチューブ撚り線の熱膨張係数が−０．０５×１０−５／Ｋ以下であり、且つ、
前記接続部材の熱膨張係数が０／Ｋより大きいことを特徴とする接続構造体。 - 前記カーボンナノチューブ撚り線の熱膨張係数が−０．０８×１０−５／Ｋ以下である、請求項１に記載の接続構造体。
- 前記接続部材が前記カーボンナノチューブ撚り線を挿入する開口部を有し、
前記開口部の円相当直径に対する前記カーボンナノチューブ撚り線の円相当直径の比が１以上である、請求項１又は２に記載の接続構造体。 - 前記接続部材が端子である、請求項１乃至３までのいずれか１項に記載の接続構造体。
- ０．８ｇ／ｃｍ３以上の密度を有する複数のカーボンナノチューブ素線を撚り合わせて、−０．０５×１０−５／Ｋ以下の熱膨張係数及び３０Ｔ／ｍ以上の撚り度を有するカーボンナノチューブ撚り線を準備する工程と、
熱膨張係数が０／Ｋより大きい接続部材を加熱して膨張させる工程と、
膨張した前記接続部材の開口部に前記カーボンナノチューブ撚り線を挿入する工程と、
前記カーボンナノチューブ撚り線が挿入された前記接続部材を収縮させる工程と、
を含むことを特徴とする接続構造体の製造方法。
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-
2020
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