2016 Fiscal Year Annual Research Report
特殊温度発電を実現する圧電ナノ粒子分散ポリマー複合材料の開発と電気力学的挙動評価
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16H04227
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
成田 史生 東北大学, 工学研究科, 准教授 (10312604)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
熊谷 進 仙台高等専門学校, マテリアル環境工学科, 准教授 (30390389)
森 孝太郎 茨城大学, 工学部, 助教 (40712740)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | マルチスケール材料力学 / 数値シミュレーション / 材料試験 / 強誘電材料システム / 高分子系複合材料 / 電場・温度場・力学場相互干渉 / 温度環境発電 / スマート材料・構造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，様々なモノに貼ることのできる軟らかいチタン酸バリウムナノ粒子分散ポリマー複合材料を開発し，温度発電・蓄電・圧電応答挙動および破壊・疲労挙動を数値シミュレーション・実験両面から解明するものである．得られた成果を要約すると以下の通りである．
1.チタン酸バリウム系多結晶セラミックスの圧電力学応答に関するフェーズフィールドシミュレーションを行い，圧電定数および誘電率の平均結晶粒径・酸素欠陥密度依存性に及ぼす温度の影響を解明・考察した．
2.極低温環境発電を可能とする強誘電セラミックスの破壊・疲労挙動解明を目指し，電場下における圧電セラミックスの三点曲げ静疲労試験および有限要素解析を室温および極低温（77 K）で行い，破断時間（疲労寿命）およびエネルギー解放率の電場依存性に及ぼす温度の影響を解明した．また，動疲労試験および有限要素解析を同様に行い，破壊荷重および臨界エネルギー解放率（破壊靱性）の電場依存性に及ぼす温度の影響について検討を加えた．
3.チタン酸バリウムナノ粒子分散ポリマー複合材料の特殊温度発電に関する基礎的検討を行うため，チタン酸バリウム板と銅板からなる試験片を作製し，急速に温度を変化（77 K，55 ℃）させたときの出力電圧と出力電力を解明した．また，チタン酸バリウム／銅積層材料の温度変化発電に関する電気熱弾性解析を行い，実験結果に理論的検討を加えた．さらに，圧電層とカーボンナノチューブ（CNT）分散ポリカーボネート層からなる圧電/CNT分散ポリカーボネート積層材料の温度変化発電についても同様に検討した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
H28年度実施計画のチタン酸バリウム／銅積層材料の特殊温度発電評価については昨年秋に実験が終了し、極低温および高温で発電するという結果を得ており，現在論文を執筆中である．また，この結果を踏まえ，本年度予定していたチタン酸バリウムナノ粒子分散ポリマーの試作に成功している．
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| Strategy for Future Research Activity |
H29年度に予定していたチタン酸バリウムナノ粒子分散ポリマーの試作は既に終了している．また，ナノ粒子の均一分散，分極処理等の問題点を一部洗い出しているが，本年度は，数値シミュレーションを併用して具体的に最適な均一分散，分極処理方法等を見出していく予定である．
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