| 研究課題/領域番号 |
23K23112
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| 補助金の研究課題番号 |
22H01844 (2022-2023)
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 基金 (2024)
補助金 (2022-2023) |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分27010:移動現象および単位操作関連
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
塚田 隆夫 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 特任教授 (10171969)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
15,210千円 (直接経費: 11,700千円、間接経費: 3,510千円)
2024年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
2023年度: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
2022年度: 7,800千円 (直接経費: 6,000千円、間接経費: 1,800千円)
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| キーワード | コンポジット材料 / 高熱伝導率 / マルチスケールシミュレーション / プロセス設計 / 構造評価 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
高熱伝導粒子(フィラー)を含む高分子コンポジット材料は，今後のデジタル社会を支える半導体デバイスのサーマルマネージメントにおいて不可欠な高熱伝導材料である。本研究では，フィラーとして有機分子修飾無機ナノ粒子を対象とし，ナノからマクロスケールにわたるマルチスケールシミュレーションと実験を有機的にリンクし，材料の構造形成の原理，高熱伝導性発現の機構を定量的に明らかにするとともに，プロセス－構造－熱伝導率の相関を解明し，これをもとに高熱伝導コンポジット材料の材料・プロセス設計指針を提示する。
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| 研究実績の概要 |
1) ナノ粒子/高分子系の界面親和性および接触熱抵抗の定量評価： デカン酸修飾Al2O3平板／ポリプロピレン系を対象に非平衡分子動力学シミュレーションを行うことで，界面の接触熱抵抗に及ぼす表面修飾率の影響を詳細に検討した。表面修飾により界面熱抵抗は低減し、高い修飾率において最小となった。これは前年度に検討した界面の親和性に関る高分子の浸透度や付着仕事の修飾率依存性と異なる傾向であり，界面の接触熱抵抗に対しては親和性だけでなく固体／高分子間の熱抵抗や修飾鎖の構造も重要な影響因子であることが示唆された。
2) 高分子コンポジット内のナノ粒子の高次構造評価： 前年度に引き続き，ポリプロピレンおよびポリスチレン中でのデカン酸修飾Al2O3ナノ粒子の凝集・分散挙動の離散要素法による数値シミュレーションを実施した。粒子間ポテンシャルエネルギーに対する修飾鎖の影響，特に混合自由エネルギーに基づく相互作用の違いにより，ポリスチレン中のナノ粒子の凝集性が高いことが示された。
3) 高分子コンポジット材料の熱伝導率の定量評価： 前年度開発した有限体積法によるコンポジット材料の伝熱解析および有効熱伝導率解析手法に対して，界面の接触熱抵抗の導入法の改良を行い，1)および2)の結果に基づき，有効熱伝導率に及ぼす高分子，すなわちナノ粒子の空間構造の影響を検討した。結果として，ナノ粒子の凝集による熱伝導パスの形成により，凝集性の高いポリスチレンの有効熱伝導率の方が高くなることを定量的に明らかにした。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
ナノ粒子／高分子界面の親和性・接触熱抵抗の解析，高分子液体中のナノ粒子の空間構造の解析，およびコンポジット材料の伝熱解析・有効熱伝導率の解析から構成されるマルチスケールシミュレーション手法の開発が順調に進み，ナノ粒子の構造と熱伝導率の相関に関する妥当な解析結果を得ることができた。
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| 今後の研究の推進方策 |
1) ナノ粒子/高分子系の界面親和性および接触熱抵抗の定量評価： 引き続き，有機修飾分子，高分子等を変更したシミュレーションにより，有機分子修飾無機固体／高分子界面の親和性および接触熱抵抗を評価するとともに，得られた結果を基に，界面親和性－接触熱抵抗の相関を明らかにする。
2) 高分子コンポジット内のナノ粒子の高次構造評価： 引き続き，1)の条件に加え，ナノ粒子の形状，体積分率，せん断速度等を変更した構造形成シミュレーションを行い，得られた結果に基づき，界面親和性，せん断速度とナノ粒子の分散性との相関を明らかにする。
3) 高分子コンポジット材料の熱伝導率の定量評価： 引き続き，1)および2)の条件下で得られた接触熱抵抗とナノ粒子の空間構造を考慮したコンポジット材料の有効熱伝導率に関するシミュレーションを行い，親和性・プロセス－構造－熱伝導率の相関を明らかにする。
4) 高分子コンポジット材料の熱伝導率測定： レーザーフラッシュ法によりコンポジット材料の熱伝導率測定を試み，シミュレーション結果との比較を行う。
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