2018 Fiscal Year Research-status Report
Wear characteristics of C/C composite materials with cellulose nano fibers under high temperature and electric current condition
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18K03832
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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, 理工学研究科, 教授 (00154261)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 複合材料 / セルロース微細繊維 / 摺動特性 / 高温・高電流環境 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，セルロース・ナノファイバの一種であるバクテリアセルロース（BC）を用いたC/Cコンポジットの高出力直流電動機の整流子やブラシとしての実用化を目指して，高温・高電流環境下で用いられる摺動材料に求められる熱的および電気的特性について実験・理論両面から評価を行い，最適な材料構成を明らかにすることを目的としており，平成30年度においては次に示すような研究成果を得た．
(1) 静的な醸造工程により作られ積層構成を有するBC繊維を，粉砕・微細化させて均質化したものを用い含浸させる方法を開発した（分散型）．この成形方法で作製したmBC-C/Cコンポジット材料の試験片を用いて，無酸素銅に対する摺動試験を行い，SUS304の場合に比べて比摩耗量と動摩擦係数がともに高くなることを明らかにした．これはmBC-C/Cコンポジットが相手材である無酸素銅を掘り起こすアブレシブ摩耗が支配的となるためであると考えている．また，4端子法により室温における電気抵抗率の測定を行い，平均で2.72×10^-4Ωmという値を得た．今後においては，mBC-C/Cコンポジットの焼結工程において徴密化のプロセスを行って改善を図ることとし，通電下における摺動試験のため改良を行った試験装置を用いて摺動試験を実施する．
(2) 繊維分散性を持つ材料を網目状の周期的繊維ネットワークの単位セルとして力学モデルを構築して，微視的繊維網を有する機能性材料のジュール発熱を伴う接触挙動を定式化した．材料の熱弾性特性，電気伝導特性について微視構造を考慮して評価し，マルチスケール解法と均質化法を適用した微視構造を有する領域に関する有限要素モデルを用いた解析を実施した．これにより，接触抵抗や電流密度の分布によるジュール発熱を伴う電極としての接触挙動についてシミュレーションを行い，電気ポテンシャルの分布等を明らかにした．
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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繊維を粉砕・微細化させて均質化したものを用い含浸させる方法（分散型）から材料開発に着手したが，平成27-29年度において実施した科研費助成研究により，積層構成を利用した手法（積層型）により基礎的な研究成果を得てきており，高温・高電流環境下で特性について検討する準備はできている．また，通電下の摺動特性の検討においては，材料の緻密化や第３成分の添加が不可欠と考えているが，この場合には微細化のプロセスが必要となる．皮膜としてターゲット材料表面に形成する方法（皮膜型）の検討と併せて，さらに研究を深める予定である．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する．
理論解析においては，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の解析モデル化として定式化し，摺動下にある圧子の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，接触抵抗や電流密度の分布によるジュール発熱を伴う電極としての接触挙動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への対応としては，研究グループ内，および学内外での検討会の開催，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専門家からの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 |
令和元年度の研究計画としては，通電下における材料の摺動特性と物性の評価や，第３成分添加によるナノレベルでの繊維強化メカニズムおよび機能性発揮に関する理論的検討を進めるとともに，予定した研究項目について研究を遂行する．
(1) C/Cコンポジットの電気的物性に及ぼす材料構成の影響の実験的評価
摺動材料として使用が期待されるC/Cコンポジットにおいては，直流電動機のブラシや集電材料を例とする高温下で機能する摺動材料としての使用が期待される．これまでに行った実験と同様に試験片を準備して，抵抗を正確に測定するため4端子抵抗測定法により，電気抵抗の評価を行う．あわせて，この試験片を用いて熱伝導実験を行い，熱伝導係数や比熱などの熱物性，および密度や炭素化率も評価して，BC繊維の高次構造について考察する．成形方法に違いによる電気的特性の違いを明らかにするとともに，材料の温度変化も計測して経時的な特性の変化についても観察する．さらに，直流電動機の整流子とブラシを模試できる装置を付加した改良型摺動試験装置を用いて，負荷電流と実験温度を種々に変化させて摺動試験を行い，摩擦摩耗特性を評価する．微視力学的観点から摺動面に関する観察を行って，高温や高電流密度環境が材料に及ぼす影響を評価する．
(2) 材料の電気的物性に関する弾性数理解析
材料の電気抵抗もまた，この繊維分布が異なるBC炭素繊維とマトリックスの炭素材料との関係や繊維のパーコレーションにより影響を受けると考えられる．研究協力者はすでに繊維分散モデルを定式化しており，このモデルを用いて温度と連成した電気伝導に関する解析をマルチスケール解法と均質化法を適用した手法を用いて解析し，電気伝導特性と熱伝導特性を明らかにする．さらに，微視的繊維網を有する機能性材料のジュール発熱を伴う接触挙動に係わる理解を深める．
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| Causes of Carryover |
(理由)
平成30年度において，研究代表者は学内の研究経費を獲得して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る状況となった．国内および外国出張経費は増加したものの本研究助成経費の実支出額が減少したことから，研究分担者の経費も合わせると，次年度使用額は計477,513円となった．研究計画の実施においては，おおむね順調に進行して研究計画の内容を実施して研究成果を得ており，併せて令和元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．
(使用計画)
令和元年度の研究計画においては，材料としての高温や高電流密度環境における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．次年度使用額の使用計画としては，当該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，材料製作に必要な資材であるBCやフェノール樹脂の追加購入，第３成分添加における最適な微細化を実現するための異なる大きさの微小径ジルコニアボールの購入，試験片観察用ジグの製作，メルボルンで開催される「第22回複合材料に関する国際会議」での研究成果発表のための出張旅費の一部として使用する予定である．
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