2020 Fiscal Year Research-status Report
温度場計測とメゾ構造伝熱解析によるポリマー系複合材料の熱伝導メカニズム解明
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20K04181
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| Research Institution | Toyama Prefectural University |
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Principal Investigator |
真田 和昭 富山県立大学, 工学部, 教授 (20363872)
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2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 熱伝導率測定 / 有限要素解析 / サーモグラフィー / 複合材料 / 熱伝導性フィラー / 熱硬化性樹脂 / 熱伝導率 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、ポリマー系複合材料を対象に、赤外線サーモグラフィー顕微鏡による温度場計測と、メゾ構造を詳細に考慮した解析モデルによる熱伝導に関する有限要素解析を行い、熱の流れとメゾ構造の関連性を明らかにして、熱伝導メカニズムを解明するもので、高熱伝導化に最適な伝熱ネットワーク構造を見出すとともに、不均質性を考慮した新規熱伝導率測定方法の提案を目指すことを目的とする。本年度に得られた結果を要約すると以下の通りである。
（１）アルミナ/エポキシ樹脂複合材料の作製と定常法による熱伝導率測定を行なった。複合材料の熱伝導率はアルミナ体積分率の増大に伴い増大した。また、アルミナ体積分率50vol%を越えると、複合材料の熱伝導率の上昇傾向が強くなることを見出した。
（２）アルミナ/エポキシ樹脂複合材料の代表体積要素（RVE）モデルを用いて、熱伝導率測定に関する有限要素解析を行なった。複合材料の熱伝導率の解析結果は，実験結果に比べて低い値を示し、アルミナ体積分率増大に伴い、その差異は増大した。しかし、アルミナ同士の接触の影響を考慮したRVEモデルを用いることで、解析結果と実験結果の差異は減少した。一方，過渡法を想定した解析結果は、定常法を想定した解析結果に比べて高い値を示し、測定方法の違いで得られる複合材料の熱伝導率が異なることを見出した。これは、複合材料の不均質性に起因しており、熱がアルミナ間を橋渡しするように流れるためであることが明らかとなった。
（３）アルミナ／エポキシ樹脂複合材料内の赤外線サーモグラフィー顕微鏡による温度場計測を行なった。複合材料中のアルミナの存在状況に対応して等温線が形成されていることを確認できた。また、RVEモデルを用いた有限要素解析結果は、実験結果と定性的に一致した。
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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
今年度は、アルミナ／エポキシ樹脂複合材料を作製し、熱伝導率とアルミナ体積分率の関連性を明らかにすることができた。また、アルミナ／エポキシ樹脂複合材料中の赤外線サーモグラフィー顕微鏡による温度場計測を実施するとともに、RVEモデルを用いた有限要素解析を行い、実験結果と定性的に一致する解析結果を得ている。さらに、アルミナ/エポキシ樹脂複合材料のRVEモデルを用いて、熱伝導率測定に関する有限要素解析を行い、過渡法を想定した解析結果は、定常法を想定した解析結果に比べて高い値を示すことを明らかにすることができた。これらは、今年度の研究計画の項目であり、おおむね順調に進展し、結果を得ることができている。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究は、今年度に得られた結果と明確になった課題を鑑み、以下の方策で推進する。
（１）種類と形状・大きさの異なる熱伝導性フィラーを組み合わせたメゾ構造を有する複合材料を作製し、温度場計測を行って、熱伝導性フィラー形状と熱の流入・流出経路の関係等に注目して考察を加える。また、実験に対応したRVEモデルを用いた熱伝導に関する有限要素解析を行い、熱の流れとメゾ構造の関連性を体系的に整理して、熱伝導メカニズム解明を試みる。また、高い熱伝導率を発現するための最適な伝熱ネットワーク構造を見出し、これを形成するための熱伝導性フィラーの大きさ・形状・配合割合を提案する。
（２）熱の流れが定常または過渡状態になるように、パルス電源を用いてフィルムヒーターの発熱を制御して、複合材料中の温度場計測を行う。メゾ構造を変化させた場合の定常・過渡の熱の流れの相違点を明らかにして、熱伝導メカニズム解明を試みる。この結果より、既存の熱伝導率測定方法の測定原理における問題点を抽出し、メゾ構造を考慮した伝熱解析で理論を構築して、複合材料の新規熱伝導率測定方法の提案を行う。
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| Causes of Carryover |
コロナ禍で出張することができず、旅費が計上されなかった。また、大学のロックダウン等で研究活動に支障が出たため、学生の実験・解析補助アルバイトが雇用できず、解析ソフトウェアの年間ライセンス契約も見送った。来年度は、学生の実験・解析補助アルバイトを十分に雇用するとともに、解析ソフトウェアの年間ライセンスも契約して研究環境を万全に整え、研究を推進する予定である。
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