2020 Fiscal Year Annual Research Report
Study of Hierarchical Structure Change of Polymers under Application of High Voltage and Dielectric Breakdown Mechanism
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19H02782
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| Research Institution | Toyota Technological Institute |
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Principal Investigator |
田代 孝二 豊田工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 特任教授 (60171691)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山元 博子 公益財団法人科学技術交流財団(あいちシンクロトロン光センター、知の拠点重点研究プロジェクト統括部), あいちシンクロトロン光センター, 技術研究員 (10423592)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 高電場 / ポリフッ化ビニリデン / 絶縁破壊 / 広角X線回折 / 小角X線散乱 / 赤外分光 / 双極子反転 / 階層構造変化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ポリフッ化ビニリデンフィルムの10kV程度の高電圧を印加した場合、双極子反転ならびに分子鎖形態および分子鎖充填構造の変化を伴う結晶相転移が起こる。その機構を探るべく、高電圧印加下での広角小角X線散乱および赤外分光測定を同時かつ高速度で行った。その結果、CF2双極子の反転が100MV/m付近で起こり始めることが赤外データから分かったが、更に電場を引き上げていくと、200MV/m付近では分子鎖の傾斜も生じ出した。双極子反転の発生そのものは既に報告されてはいたが、双極子反転と分子鎖の傾斜とが協奏的に起こっていくこと、しかもそれが高次組織の変化にも大きく影響することが今回の実験で明らかになった。この成果は、高分子材料に及ぼす高電場の影響を分子レベル、結晶レベルそして高次組織レベルと幅広い観点から明らかにした初めての例であり、高分子科学分野でトップの専門誌Macromoleculesに発表した。
この高電場下での実験の場合、高い頻度で絶縁破壊が生じ、上記の再現性のある実験結果を得るために様々の工夫が必要であった。逆に、このように頻繁に起こる絶縁破壊現象に至るプロセスにおいて如何なる構造変化が生じているのかを見極めるべく、数ミリ秒と極めて短い時間間隔でのX線散乱測定にも挑戦した。この実験は現在遂行中である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
研究当初は高電圧印加での双極子反転ならびに分子鎖集合構造の変化をX線散乱および振動分光の同時高速測定により、ある程度、素直に追跡できると考えていたが、絶縁破壊(いわゆるショート）が想像以上に頻繁に起こってしまい、それが試料周辺の検出器などに多大な影響を与え、ショート時の構造変化を見ることが出来なかった。実験データの集積の打率は非常に低かった。ショート時の検出器に対する高電流の影響を防ぐべく、システムの改良を様々に試みたが、非常に難しく、それの対処にかなりの時間を費やした。結果として、最近ようやく ショートまでの全過程におけるX線散乱信号や赤外スペクトルデータの取得が出来るようになった。そのような訳で、実験当初の計画は多少遅れてはいるが、安定した測定系の構築が出来たお陰で、当初の予定には入っていなかった絶縁破壊時の構造変化そのものの追跡にまで踏み込んだ研究が出来るものと考え、計画を立て直しているところである。
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| Strategy for Future Research Activity |
高電圧印加下でのX線散乱と赤外スペクトルの同時高速時間分解測定は非常に大きな困難を伴う実験である。それが故に、世界中で我々のグループ以外には殆ど挑戦してこなかった研究課題である。データ集積に対する絶縁破壊現象の多大なる影響を除くべく測定系の改良を様々の角度から行った。こうして出来上がった新しいシステムを用いることで０ボルトから絶縁破壊電圧までの一貫したプロセスにわたる観察が出来るものと考えている。すなわち、今後の実験では、絶縁破壊という高分子材料全般にとって極めて重要な現象における階層構造の変化を逐次的に追跡することに実験の軌道修正を行い、絶縁破壊の本質を見出すとともに、如何にすれば絶縁破壊を防ぐことが出来るのか、そのための構造とは如何なるものであるのか、にまで言及出来るように計画を練りあげているところである。
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