電流積分法と分子動力学・量子化学計算による新規の直流高分子絶縁材料の分子設計
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22K05243
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 35020:Polymer materials-related
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| Research Institution | Kanto Gakuin University |
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Principal Investigator |
植原 弘明 関東学院大学, 理工学部, 教授 (00329210)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
岡本 達希 関東学院大学, 工学総合研究所, 研究員 (00371550)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
Fiscal Year 2024: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2023: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
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| Keywords | 電流積分電荷法 / 分子動力学計算 / 量子化学計算 / 直流高分子絶縁材料 / 分子設計 |
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| Outline of Research at the Start |
高分子絶縁材料の電気絶縁特性においては、直流印加時に電極から注入された電荷は電界によって移動を続け、材料内部に蓄積される。これによって内部電界が歪み、局部的に設計電界を超えて絶縁劣化・絶縁破壊しやすくなる。
そこで本研究では、実験的アプローチである電流積分電荷法と計算化学的アプローチである分子動力学・量子化学計算を使用して、直流高分子絶縁材料中の電荷蓄積特性を明らかにし、絶縁劣化・絶縁破壊しにくい新規の直流高分子絶縁材料の分子設計へと展開するための研究基盤を確立する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
2年目である2023年度の研究実績の概要は、以下の2点である。
(1)1年目（2022年度）の研究成果をまとめて発表した国際会議（CEIDP2022）での口頭発表時における質疑応答で得られた貴重な意見・コメントを踏まえて追加の実験や計算機シミュレーションを実施し、データの信頼性を向上させた。本研究で対象としている6種類の高分子絶縁材料（低密度ポリエチレン（LDPE）、架橋ポリエチレン（XLPE）、ポリエチレンテレフタレート（PET）、ポリエチレンナフタレート（PEN）、ポリイミド（PI）、ポリカーボネート（PC））のうち、PEN試料に関しては、高電界（100kV/mm）・高温度（80℃）でも電荷が蓄積しないことが電流積分電荷法によって明らかになり、ベンゼン環をその分子構造に含んでいるPET、PI、PC試料よりもさらに電荷が蓄積しにくいことがわかった。また、PI試料に関しては、他の材料とは明らかに異なる電荷蓄積特性が見られたが、この理由としては、先行研究として他の研究者によって検証されてきたパルス静電応力法（PEA法）において既に報告されているPI試料内での不純物によって発生した電子正孔対がそれぞれの電極に向かって移動したことを裏付けていると考えられる。これらの成果の一部は、学術論文IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, Vol. 31, No. 2, pp. 694-703, April 2024に掲載された。
(2)上記の研究成果に派生して、共著者らとともに電流積分法で得られた時間特性のデータから遅延抵抗を考慮した回路モデルの構築もおこなった。これらの成果の一部は、学術論文IEEE Access, Vol. 12, pp. 39152-39165, March 2024に掲載された。
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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
2年目（2023年度）に予定していた研究内容はおおむね達成でき、IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, Vol. 31, No. 2, pp. 694-703, April 2024およびIEEE Access, Vol. 12, pp. 39152-39165, March 2024の2編の学術論文に掲載することができたため、研究は順調に進展していると考えられる。
現在までの進捗状況としては、1年目（2022年度）の研究課題として残されていた母体絶縁材料となるLDPE試料に酸化防止剤を添加した試料における電荷蓄積特性の調査を急ピッチでおこなった。他の研究者の先行研究において、酸化防止剤を添加すると耐トリーイング性が向上（トリー発生電圧の上昇）し、絶縁破壊電圧も上昇することが報告されており、この理由を電荷蓄積の観点から説明することを考えている。酸化防止剤は、本来はポリエチレンの主要な劣化である酸化劣化を防止するために添加されるものであるが、上記のトリー発生電圧や絶縁破壊電圧の上昇は電気双極子モーメントの大きい添加剤（酸化防止剤）による電荷トラップであると考えられるため、分子動力学シミュレーションおよび量子化学計算を使用して定量的に解明することを考えている。上記のデータが揃ってきているので、国際会議や学術論文への投稿を検討しているが、現時点では急激な物価高および円安ドル高で航空機代や宿泊費等の旅費も高騰しているので、効率的な科研費の予算執行の観点から基本的には国際会議よりも学術論文への投稿を最優先したいと考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
3年目である2024年度は、最終年度であるため、1年目（2022年度）および2年目（2023年度）の研究成果をもとに、下記の(1)～(3)を実施する予定である。
(1)分子動力学シミュレーションおよび量子化学計算によって母体絶縁材料であるLDPE試料に酸化防止剤を添加した状況をコンピュータ内で再現し、電荷トラップによって電荷蓄積特性が改善されるかを計算化学的にシミュレートする。この研究では、特に母体絶縁材料であるLDPE試料のエネルギー準位と酸化防止剤を添加することによって発生・形成される深いトラップ準位を計算し、見かけ上ではない実効的な電子トラップとホールトラップを計算することによって電荷のホッピング移動について解析する。
(2)研究対象である6種類の高分子絶縁材料の分子構造において、ナフタレン環、ベンゼン環、イミド結合、ヒドロキシ基等での電荷トラップのしやすさおよび分子間相互作用について検討する。この研究においても、分子動力学シミュレーションおよび量子化学計算を使用し、電流積分電荷法で得られた実験結果を計算化学的なアプローチによって裏付ける。
(3)上記の(1)と(2)を総合的にまとめて、電荷トラップおよび電荷蓄積のメカニズムを解析し、最終的には絶縁劣化・絶縁破壊しにくい新規の直流高分子材料を分子設計する。
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Report
(2 results)
Research Products
(11 results)
