2015 Fiscal Year Research-status Report
バクテリアセルロースを用いたナノC/Cコンポジット機能性皮膜の形成と特性評価
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15K05670
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| Research Institution | Fukushima University |
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Principal Investigator |
小沢 喜仁 福島大学, 共生システム理工学類, 教授 (00160862)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
渋谷 嗣 秋田大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (00154261)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 複合材料 / バクテリア・セルロース / 摺動材料 / 摩擦・摩耗 / ミクロフィブリル / 第3成分添加 / 摩耗メカニズム / 機能性皮膜 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，平成24-26を研究期間として実施した研究「バクテリアセルロースを用いたナノC/Cコンポジットの摩擦・摩耗特性」の研究成果を発展させ，C/Cコンポジットを用いた皮膜形成技術の開発を目的としている.平成27年度の研究においては，以下に示すように，研究項目にしたがって実施し，成果を得た．
（１）微細化させたBCスラリーの処理および竹炭粉添加による摩擦摩耗特性への影響の評価； C/Cコンポジットの摩擦摩耗特性について，ミクロンオーダーにまで微細化させたBCスラリーの処理および竹炭粉添加を行った試験片を用いて実験を行い，摩擦接触表面についてSEM観察に基づき，摩擦摩耗のメカニズムを実験的に明らかにした．BC-FRPプリプレグの含浸・乾燥工程においては，直接含浸法に工程に工夫を行い，分散しているBCの高次構造を制御し，最適なBCと竹炭粉の分散状態を作り出すことに成功した．
（２）竹炭粉添加による新規摺動接触面の弾性数理解析； （１）における最適な分散を持つ材料の力学モデルを構築して，材料特性の力学的評価を行うために，まず，摩擦・磨耗特性を調べるための手がかりとして基礎的な解析を実施した．バクテリア・セルロースを強化材とした複合材料の微視的な構造において，ミクロフィブリルの微細な網目構造を特徴とし，優れた力学的特性を持つことに留意して，複合材料の微視的・巨視的構造を組み合わせたハイブリッドモデルを作成し，マルチスケール解法と均質化法を適用した弾性数理的手法により検討した．さらに，被摺動材の表面荒さを考慮した突起物を円弧状としてモデル化し，押し込みシミュレーションを行って，押し込み挙動を解析的に明らかにした.
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
BCスラリーを微細化することによりBC繊維は長さ1mm程度となるが，繊維として機能していることをSEM観察により明らかにしている．さらに，BC繊維の密集構造に竹炭粉が分散する高次構造となるが，竹炭粉の含有量が異なる試験片を用いた実験により，竹炭粉の最適含有量の存在や，BC繊維網の分散性向上を明らかにし，安定した特性を得るための材料成型の課題を克服し，新たな摺動接触面を構成することが期待される．新たな機能として熱伝導率や電気伝導度についての実験的検討はこれからであるが，材料特性が安定したことから，これらの実験についても着手する．
理論解析においては，このような構造はこれまでになく，実験結果をもとに優れた摺動特性を発揮する材料の微視的構造が明らかになった．上述のように，これを解析モデル化として定式化し，押し込みをシミュレーションすることに成功したことから，次の段階として，本材料の特徴であるナノレベルの複合材料としての繊維の強化メカニズムについて検討することとしている．
研究が計画どおりに進まないことを想定した対応としては，研究グループ内，および学内外の定期的な検討会の開催，学会レベルの研究発表を行ってきており，これらの会議におけるアドバイスを参照しながら，効果的に研究を進めている．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成28年度の研究計画としては，材料としての新たな機能性の評価や，ナノレベルでの繊維強化メカニズムに関する理論的検討も進めるとともに，予定した研究項目について研究を遂行する．
（１）C/Cコンポジットにさらにミクロンオーダーで粉体化処理の検討； 皮膜形成を行うために，C/Cコンポジットを粉体化処理して，皮膜形成のための成膜基材を開発する．このとき，BCスラリーや竹炭粉の微細化処理，および焼成温度の見直しなど，皮膜形成処理を考慮したC/Cコンポジット成型の工程改良を行う．
（２）金属表面への塗布やコーティング処理による皮膜形成技術の検討； これをセラミックや金属材料の表面上に塗布やコーティング処理を行い，焼成・焼結して摺動面を形成し，材料の添加物，炭化・焼結温度など最適な成膜のための技術的ノウハウを蓄積する．これと並行して，BC-FRPプリプレグを薄膜とする技術についても検討して，金属材料表面上に直接塗布して焼成する手法についても評価する．
（３）C/Cコンポジット皮膜における接触面の様相と摩擦摩耗特性の弾性数理解析； C/Cコンポジット皮膜は50μm程度となり薄膜としての固有な特性を持つと考えている．薄膜となったC/Cコンポジットの摺動面形成について，実験結果に基づいて考察した力学的モデルを用いてマルチスケール解法と均質化法を適用した弾性数理解析が可能か、検討を行う．なお，C/Cコンポジットについては，ナノレベルの複合材料としての繊維の強化メカニズムについても検討する．
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| Causes of Carryover |
平成27年度において，研究代表者は学内の研究経費を得ており，これを優先させて使用したこと，および実験実施に係わってはフェノール樹脂やエポキシ樹脂などの消耗品の在庫準備があったことから，研究経費の使用計画に余裕が生じて本研究助成経費の実支出額が減少した．このことから，研究分担者も合わせると，次年度使用額は計736,337円となった．
研究計画の実施おいては，ほぼ計画通りの内容を実施して研究成果を得ており，あわせて平成28年度の研究実施のための準備もできていると考えている．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成28年度の研究計画においては，前年度までにC/Cコンポジットの安定した成型が可能となったことから，材料としての新たな機能性の評価や，ナノレベルでの繊維強化メカニズムに関する理論的検討も進めることとしている．平成28年度の研究計画にしたがっての消耗品購入などの経費使用に加えて，次年度使用額の使用計画としては，材料製作に必要な資材であるBCスラリーやフェノール樹脂の追加購入，微細化のための微小径ジルコニアボールの購入，試験片観察用ジグ製作，皮膜形成実験のための小型コンプレッサの購入，中国・上海で開催される「材料の機能性材料と構造の力学に関する国際会議」での研究成果発表出張旅費の一部として使用する予定である．
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Research Products
(8 results)
