2019 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, 特任教授 (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 |
本年度は，電流環境下で用いられる摺動材料として求められるC/Cコンポジット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，次のような研究成果を得た．
(1) バクテリア・セルロースの分散性を改善したmBC-C/Cコンポジットについて，相手材を銅材とする摺動試験の結果を評価して，直流電動機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実験装置の基本設計を行った．材料に第３成分としてμオーダーの粒径を有する銅粉末を添加した材料の成型に成功し，摺動特性および室温での電気抵抗率を明らかにし，材料内部の銅粉末の均一な分散性を確認した．C/Cコンポジットの新たな利用法の開発として，多孔質アルミナ基材への皮膜成形について比較検討を行い， mBC-C/C粉末をフェノール樹脂に混ぜ込み，基材に塗布成型する方法（塗布法）が有効であることも実験的に明らかにした．今後においては，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し，焼結工程において徴密化プロセスを行って摺動特性の改善を図る．
(2) マルチスケール解法と均質化法を適用して，網目状の周期的繊維ネットワークを持つナノ・コンポジット材料と接触子との電流環境における接触挙動の解析に成功した．ジュール発熱を伴う接触挙動において，材料の熱弾性特性と電気伝導特性について微視構造を考慮した有限要素解析の結果によると，繊維主方向と直角方向の繊維密度が小さくなると，繊維方向の正規化縦弾性係数と正規化熱伝導率は増加するが，繊維と直角方向のこれらの値は減少することがわかった．また，移動する接触子端付近の材料内部の電気ポテンシャル分布とVon Mises降伏応力分布を数値的に求めた．今後，微視力学的観点から摺動面に関する観察を行って，高温や高電流環境が材料に及ぼす影響やジュール発熱を伴う電極としての接触挙動について評価する．
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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
本年度においては，バクテリア・セルロースの分散性を改善したmBC-C/Cコンポジットを標準材料として，相手材をSUS304材や銅材とする摺動試験の結果を評価して積み上げてきた．直流電動機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用いられている材料の摺動特性や電気抵抗率と比較することにより，C/Cコンポジットは可能性を有することが明らかになったと考えている．これらの実験結果をもとに，直流電動機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実験装置の基本設計を行い，作製している．材料設計・開発においては，前項において述べたように，第3成分添加の検討と緻密化プロセスの導入が必要と考えている．μオーダーの銅粉末と同様に，竹炭分を第3成分添加した材料についても，摺動特性および電気抵抗率を明らかにし，材料内部の炭素繊維と添加材の分散性を評価して，最適な材料構成と分散を持つコンポジットの開発を進める．
材料の熱的物性や電気的物性に関する弾性数理解析においても，基本的な力学モデルの定式化に成功している．材料の電気伝導は，この繊維分布が異なるBC由来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モデルにより影響を受けると考えられる．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これまでと同様の手法を用いて解析し，電気伝導特性と熱伝導特性の関係をさらに解明していく．
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2年度の研究計画では，改良型摺動実験装置を用いた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，予定した研究項目および新たな検討課題について研究を遂行する．
(1) C/Cコンポジットの実用化に向けた新たな機能性の発現に関する検討を行う．直流電動機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実験装置を，基本設計をもとに作製する．これを用いて，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，高温・高電流環境下で用いられるC/Cコンポジットについて摩擦摩耗特性，熱的および電気的特性を評価する．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明らかにする．さらに，この試験片を用いて熱伝導試験も行い，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．成型方法に違いによる特性変化や，材料の温度変化に対する経時的な特性変化も評価して，実用化に最適な材料成形・焼成条件を明らかにする．
(2) C/Cコンポジットの集電物性に関する総合的な弾性数理解析を行う．ナノサイズのBC由来炭素繊維とマトリックスの炭素材料との相互関係や繊維網のパーコレーションモデルにより，材料の電気伝導は影響を受ける．研究者らが開発した力学的モデルを用いて，温度と連成した電気伝導に関する解析をこれまでと同様の手法を用いて解析し，電気伝導特性と熱伝導特性の関係をさらに解明していく．粉体化処理および第3成分添加の影響を含め総合的に検討して，ナノレベルの繊維網構造を模試できる力学モデルによる理論解析の妥当性を確認する．高出力の直流電動機の整流子やブラシの摺動材料を想定して，新規摺動材に関する摩擦摩耗設計の妥当性を総合的に評価する．
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| Causes of Carryover |
(理由)
令和元年において，研究代表者は学内外から獲得した研究経費を優先させて使用したことと，実験に用いるフェノール樹脂など消耗品に予めの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．中国と豪州で開催された国際会議のために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，次年度使用額は計275,877円となった．研究計画の実施おいては，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，あわせて令和２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２年度の研究計画においては，高電流密度環境における新規材料の機能性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を行う．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実験装置製作や観察用ジグの製作，消耗品などの使用として実験材料の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分散状態を実現するための金属材料微小粉末の購入，仏・ナント市で開催される「第19回複合材料に関する欧州会議」での研究成果発表のため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
(10 results)
