2016 Fiscal Year Research-status Report
イオン導電性高分子アクチュエータにおける機械的・電気化学的損傷機構の解明
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15K05687
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
大宮 正毅 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (30302938)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 高分子 / 薄膜 / アクチュエータ / 疲労 / 破壊 / 損傷 / 電気化学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
イオン導電性高分子アクチュエータは，電解液中において電場を印可すると水和したカウンターイオンが陰極に移動し，陰極側が膨潤，陽極側が収縮することで湾曲する特徴を持つ．本研究では，イオン導電性高分子の陽イオンと水分子の移動に着目し，長時間繰返し変形をさせた場合の変形応答性の変化について実験的に測定するとともに，高分子電解質膜と電極金属における機械的および電気化学的損傷について調査し，損傷メカニズムを解明することを目的としている．
平成28年度は，まず，繰返し変形を与えた際の電気的特性について評価した．正弦波電圧を印加しながら，アクチュエータのインピーダンス測定を行い，その変化の様子を確認した．また，電極表面の抵抗値を測定することで，電極上での損傷発生箇所の探索を行った．その結果，繰返し動作時にアクチュエータの抵抗値が増加していき，それに伴ってアクチュエータに印加される電圧は上昇する．このように動作中の電圧が一定に保てないことが，アクチュエータの振幅が一定にならず，ばらつく原因になっていることが判明した．さらに，アクチュエータ固定部と電源接続部の境界は，湿潤環境と大気中環境との境界になっており，電解質膜の体積膨張・収縮の差による応力集中が原因で，電極が破損し，導電性が失われることがわかった．
次に，パラジウムめっきを施す際に高分子電解質膜に化学的損傷を与える可能性を考慮して，化学的損傷を与えた高分子電解質膜の破壊抵抗および疲労き裂進展特性について調査した．鉄イオンを含む溶液中に過酸化水素水を入れ，高分子電解質膜を80℃，24時間処理することで化学的損傷を与えた．その後，矩形状の試験片を切り出し，両側にき裂を導入し，温度・湿度を制御しながら引張試験および疲労き裂進展試験を行った．その結果，化学的処理を行った試験片の破壊抵抗の低下及びき裂進展速度の上昇が確認された．
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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
今年度，イオン導電性高分子アクチュエータを構成する薄膜の環境制御疲労試験を実施し，当初の計画どおり進められている．また，イオン導電性高分子アクチュエータの電極部分の損傷形態についても明らかにしており，全体的には予定通り推移していると考えている．
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度，環境制御型疲労試験装置を用いた高分子電解質膜の疲労試験，疲労き裂進展特性評価試験を行ったため，その成果をまずは論文にまとめる．
続いて平成29年度は，陽イオン種，温度，pHなどパラメータを種々変化させて，イオン導電性高分子アクチュエータの耐久試験を行い，変形特性に影響を及ぼす支配因子を特定する．また，サイクリックボルタンメトリー（CV）測定，X線光電子分光法による電極金属の成分分析を行い，電極金属における電気化学的反応を特定し，電極金属における電気化学的な損傷メカニズムについて明らかにする．さらに，高分子電解質膜および電極金属の劣化を防ぐ手段について検討を行い，さらに，長期間安定的にアクチュエータを動作させるための条件を見いだし，本プロジェクトの成果としてまとめる．
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