| 研究課題/領域番号 |
15H04249
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| 研究機関 | 筑波大学 |
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研究代表者 |
石田 政義 筑波大学, システム情報系, 教授 (30272173)
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| 研究分担者 |
花田 信子 筑波大学, システム情報系, 助教 (00606634)
中山 知紀 筑波大学, システム情報系, 助教 (90707853)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | アルミナ / 漏れ電流 / 不純物析出 / 空間電荷分布 |
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| 研究実績の概要 |
高温型燃料電池主絶縁への応用に向け，無機絶縁材料として広く用いられているアルミナに関して，漏れ電流の経時変化と材料変性との関係を解明した。市販のアルミナ平板試料に対してPt電極やセラミックス製測定セルを適用し，不純物の侵入を可能な限り避けたうえで，高温中において100時間の直流課電実験を行った。アルミナの漏れ電流は，ある電圧までは印加開始から減少したのちにほぼ一定となるか増加する傾向であったが，それ以上の印加電圧では漏れ電流は減少し続けるようになった。また，電気伝導率は印加電圧を増加させるごとに，低下する傾向であった。高温領域において直流高電圧を印加することで，アルミナに含まれる不純物の析出が観測された。また，外部から混入したNaは負極に析出していたことから，電気伝導のキャリアになることが分かった。これらより，不純物の析出によるキャリア濃度低下が漏れ電流減少の原因であることが示唆された。
また、長期課電による無機絶縁材の絶縁破壊経路を明らかにして絶縁劣化メカニズムを解明するため、パルス静電応力法により空間電荷分布を評価した。今年度は無機材料での空間電荷分布測定法の確立に向けて室温での電荷分布の測定を行った。アルミナの空間電荷分布測定において、アルミナ表面の微小な反りと凹凸によって、電極と試料間に空隙が存在してしまい、帯電による偽信号の発生と圧力波の減衰が起きることがわかった。試料接地側に金属を蒸着して電極と同電位にすることで空隙での帯電による偽信号発生を防いだ。さらに、試料を研磨し空隙を無くすことで圧力波の減衰を抑えた。空隙の影響を排除したアルミナの空間電荷分布測定では、誘導電荷がみられず、両電極付近にヘテロ電荷のみが観測された。試料と電極界面が高電界となって、キャリアの注入と放出が起き、平衡に達することで、電極中の誘導電荷のピークが見かけ上、消滅したと考えられる。
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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
長期課電による無機絶縁材特性評価については、装置・評価方法は確立されていたため、順調に実験を進め、漏れ電流の経時変化と材料変性との関係を解明した。無機絶縁材の空間電荷分布の評価については、評価装置を購入して室温での測定法を確立した。アルミナなどの無機絶縁材の空間電荷測定を行う場合、試料表面と電極との密着性を高めることが必要であることが分かった。無機絶縁材に対する音響インピーダンスの不整合の対処法などは確立できていないので、今後行う必要がある。
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| 今後の研究の推進方策 |
昨年度までに長期課電による無機絶縁材の高温・空気雰囲気中での漏れ電流の経時変化と材料変性との関係を調べ、不純物の析出が絶縁特性に影響を与えることを明らかにした。今年度は、高温・水素雰囲気中での長期課電特性を調査し、空気雰囲気中との違いを明らかにする。高温かつ水素雰囲気で長期課電が維持できる装置を設計・作製する。また、長期課電による無機絶縁材の絶縁破壊経路を明らかにして絶縁劣化メカニズムを解明するため、パルス静電応力法により空間電荷分布評価を行う。昨年度に確立した無機絶縁材に対する空間電荷分布測定手法を用いて、アルミナ板の常温での空間電荷分布形成要因を解明する。さらに、常温での無機絶縁材の空間電荷分布測定結果を受けて、高温測定のための装置を設計・作製する。各種無機材料に対して、高温で課電した無機絶縁材のバルク内部の空間電荷分布の経時変化を測定する。これにより、空間電界分布が求められることから電界集中による絶縁破壊起点や絶縁破壊経路を明らかにする。
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