2018 Fiscal Year Annual Research Report
超高圧縮応力を内包した金属基圧電複合材料の機能発現メカニズム解明
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17H03141
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| Research Institution | Chiba University |
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Principal Investigator |
浅沼 博 千葉大学, 大学院工学研究院, 教授 (40167888)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
成田 史生 東北大学, 工学研究科, 教授 (10312604)
佐藤 宏司 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (70344166)
柳迫 徹郎 工学院大学, 工学部, 助教 (80784628)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 機械材料・材料力学 / 構造・機能材料 / 複合材料・物性 / センサ・アクチュエータ / 知的材料・構造システム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
金属コア圧電ファイバ／アルミニウム複合材料（Piezo-Al）は，複合化時に生じる極めて高い残留圧縮応力下でも圧電性を発現する他に類の無い圧電複合材料であるが，この圧縮応力下での機能発現に関して不明な点が多い．当該年度では，そのメカニズム解明のため，下記の項目を実施，検討した．
１）Piezo-Al中の圧電ファイバは複合化時に圧縮熱残留応力が負荷される．この圧縮応力が圧電ファイバの分極にどのような影響を与えているかを検討するため，分極状態の評価を検討した．Piezo-Alは円筒型コンデンサ形状をしており，従来の圧電材料分極評価手法では正確な評価ができない．そのため，ペレット状の材料物性値を圧縮応力下で計測できるシステムを構築し，物性値の評価が可能となった．加えて，FEM解析において，複合化プロセス時に生じる残留応力の算出を行い，約1GPaという極めて高い圧縮応力が圧電ファイバ-マトリックス界面近傍に生じることが確認された．この結果は先行研究による実測値とよく一致していることから，良い精度で実験を再現できており，解析による評価の目途が立った．
２）複合化された圧電ファイバは圧縮応力により破断強度が向上する可能性が示唆されている．この圧縮応力による機械的特性向上を評価するため複雑な構造を持つPiezo-Alではなく，単純構造を持つ圧電セラミックス／アルミニウム複合材料を作製し，3点曲げ試験により圧電セラミックスの強度を確認し，ワイブル解析による統計的な処理を行った．この結果，複合化により形状母数は4.3から10.9へ，尺度母数は106MPaから161MPaへそれぞれ向上しており，定量的に圧縮応力が機械的特性に及ぼす影響が確認できた．しかしながら，評価した試験片が10個程度と統計的には少ない試料数であったため，試行回数を増加させ，ワイブル解析の精度を向上させる必要がある．
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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
超高圧縮応力下における圧電機能発現のメカニズム解明の基本となる，本複合材料特有の形状からくる分極および圧電定数の評価に関してペレット状の圧電材料を圧縮応力下において各物性値を評価するシステムが完成している．加えてFEMにより圧縮残留応力の再現にも成功している．また，機械的特性に及ぼす評価として，より単純なモデル材料として圧電セラミックス／アルミニウム複合材料を作製し，その強度を評価し，ワイブル解析を用いることで定量的に機械的特性向上の評価を行っている．
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| Strategy for Future Research Activity |
１）超高圧縮応力下での圧電ファイバ分極のメカニズム解明
PZTペレットに単軸圧縮応力下で分極処理を施し，各種パラメータを測定するシステムが完成したため，これを用いて圧縮応力を変化させ，その際の共振―反共振の位相差やP-Eヒステリシスループおよびバタフライカーブの変化を把握する．Piezo-Alでは分極軸が放射状となるため，コア付近と外周部では分極状態が異なり，ペレットと異なる特性が生じることが予想される．このため，Piezo-Alを焼鈍することで，応力状態を変化させ，その際のPiezo-Alの各種特性を測定し，ペレットと比較評価を行う．併せてこれらのデータを解析にフィードバックし，Piezo-Alにおける分極状態の評価手法を確立する．
２）圧縮応力が圧電セラミックスの機械的特性向上におよぼす影響の評価
複合化された圧電セラミックスの強度は界面強度に大きく依存することが予想されるため，打ち抜き法による界面強度の測定を試みる．また，併せてマイクロビッカース試験機による硬さおよび圧痕導入時に生じるき裂を利用して破壊靭性値の取得を行い，機械的特性評価を行う．また，前年度に得られた複合化前後における3点曲げ強度と破壊靭性値を利用し，圧縮応力によって，無害化されるき裂の大きさを評価する．
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