2020 Fiscal Year Annual Research Report
Piezoelectric and Magnetostrictive Mechanical Design and Development of High Energy Conversion in Electronic Composite Materials
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19H00733
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
成田 史生 東北大学, 環境科学研究科, 教授 (10312604)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
川上 祥広 公益財団法人電磁材料研究所, その他部局等, 主任研究員 (20527361)
荒木 稚子 埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (40359691)
栗田 大樹 東北大学, 環境科学研究科, 助教 (40643226)
森 孝太郎 茨城大学, 理工学研究科(工学野), 講師 (40712740)
宮本 直人 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 准教授 (60400462)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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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 / 振動発電 / スマート材料・構造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，温度変化・履歴や振動・衝撃を電気に変換する機能性複合材料を開発し，電磁エネルギー変換機能を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.(a) 圧電繊維/アルミニウム（Al）複合材料の電気力学応答に及ぼす残留熱応力の影響を有限要素法により解明した．(b) 圧電繊維/エポキシ複合材料の動的電気力学応答を有限要素解析し，ウイルスレベルの質量変化による出力電圧を明らかにした．
2.(a) 圧電ナノ粒子分散樹脂を作製し，炭素繊維強化プラスチック（CFRP）を積層して電極として用い，コロナ放電分極に成功した．そして，曲げ振動や衝撃荷重から電圧・電力を回収できるCFRP複合材料の実現可能性を示した．(b) 強靱な繊維と加工が容易な熱可塑性樹脂との複合化に着目し，圧電ナノ粒子分散ムライト繊維織物複合材料を作製して，振動・衝撃発電性能を解明した．(c) 圧電ナノ粒子/ポリフッ化ビニリデン三フッ化エチレン傾斜機能材料の開発に成功した．
3.(a) 鉄コバルト（Fe-Co）短繊維・粒子とエポキシ・アクリル・ポリウレタン樹脂やナノセルロースからなる複合材料およびFe-Co長繊維分散ガラス・炭素繊維強化複合材料を作製し，磁場－力学場相互干渉を解明した．(b) Fe-Co繊維をAlに埋め込む技術を確立し，衝撃を電気に変換する軽金属複合材料を開発した他，2本のFe-Co繊維を撚って埋め込み，高出力化に成功した．
4.(a) Fe-Coの磁気・磁歪挙動に及ぼす微量添加元素や磁場中熱処理の影響を解明した．(b)アモルファス磁歪薄膜をSi基板上に成膜し，残留応力と透磁率の関係を評価した．(c) 空気中ウイルスの検出を目指し，Fe-Co/ニッケル積層材料を作製して，動的磁気力学応答を解明した．また，Fe-Coをコバルト鉄酸化物（CoFeO）基板に成膜する手法について検討中である．
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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
様々な圧電・磁歪複合材料の開発に成功し，電磁エネルギー変換機能を理論・実験両面から解明して，成果の一部は査読付学術雑誌に掲載されている．また，Fe-Co合金短繊維分散エポキシ樹脂複合材料については，特許の出願に至り，圧電傾斜機能材料についても特許出願に向けて準備を進めている．さらに，企業との共同研究展開を図り，磁歪複合材料に関する2件の特許を出願している．
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| Strategy for Future Research Activity |
圧電・磁歪複合材料の高性能化により，ウイルスの検出可能性が高まり，今後の研究展開が期待される．本年度は，正と負の圧電効果を有する材料の複合化，正と負の磁歪効果を有する材料の複合化に本格的に取り組み，電磁エネルギー変換機能向上を図って，環境発電挙動に加えウイルス検出挙動についても検討していく予定である．
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Research Products
(27 results)
