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2018 年度 実績報告書

特殊温度発電を実現する圧電ナノ粒子分散ポリマー複合材料の開発と電気力学的挙動評価

研究課題

研究課題/領域番号 16H04227
研究機関東北大学

研究代表者

成田 史生  東北大学, 工学研究科, 教授 (10312604)

研究分担者 栗田 大樹  東北大学, 工学研究科, 助教 (40643226)
熊谷 進  仙台高等専門学校, 総合工学科, 准教授 (30390389)
森 孝太郎  茨城大学, 理工学研究科(工学野), 助教 (40712740)
研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2019-03-31
キーワードマルチスケール材料力学 / 数値シミュレーション / 材料試験 / 強誘電材料システム / 高分子系複合材料 / 電場・温度場・力学場相互干渉 / 温度環境発電 / スマート材料・構造
研究実績の概要

本研究は,様々なモノに貼ることのできる軟らかいチタン酸バリウムナノ粒子分散ポリマー複合材料を開発し,温度発電・蓄電・圧電応答挙動および破壊・疲労挙動を数値シミュレーション・実験両面から解明するものである.得られた成果を要約すると以下の通りである.
1. チタン酸バリウムナノ粒子分散ポリマー複合材料を作製し,温度変化(高温)による出力電圧を明らかにして,ニオブ酸カリウムナトリウム粒子分散ポリマー複合材料の場合と比較・検討した.また,チタン酸バリウムナノ粒子分散ポリマー複合材料に微風による曲げ振動を与え,圧電応答挙動についても考察を加えた.
2. 温度変化発電を可能とするチタン酸バリウムナノ粒子分散ポリマー複合材料の圧電応答挙動に及ぼす分極条件の影響を明らかにするため,試験片を異なる条件でコロナポーリング法により分極し,圧電係数 d33 を計測した.そして,最適な分極時間・温度・電場を明らかにした.また,脱分極挙動について考察を加えた.さらに,走査型電子顕微鏡を用いてマトリックス中における圧電粒子の分布を観察し,X線回折を用いて粒子の微視構造も評価した.
3. チタン酸バリウムナノ粒子とエポキシ樹脂からなる傾斜機能圧電複合材料を対象に,圧電応答挙動に関する有限要素解析を行い,荷重および温度変化による環境発電特性を解明・考察した.
4. チタン酸バリウムナノ粒子とエポキシ樹脂とを混合してガラス繊維強化プラスチック複合材料を作製し, 圧電係数計測および改良型小型パンチ試験を行い,圧電応答挙動および破壊挙動を解明・考察した.

現在までの達成度 (段落)

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

  • 研究成果

    (6件)

すべて 2019 2018

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 2件)

  • [雑誌論文] Corona Poling Conditions for Barium Titanate/Epoxy Composites and their Unsteady Wind Energy Harvesting Potential2019

    • 著者名/発表者名
      Z. Wang and F. Narita
    • 雑誌名

      Advanced Engineering Materials

      巻: 印刷中 ページ: 印刷中

    • 査読あり
  • [雑誌論文] On the Energy Harvesting Potential of Lead-Free Piezoelectric Composites from Air-Flow and Temperature Change2018

    • 著者名/発表者名
      Z. Wang, S. Abe and F. Narita
    • 雑誌名

      Research & Development in Material Science

      巻: 5 ページ: 000607

    • DOI

      10.31031/RDMS.2018.05.000607

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Finite Element Analysis and Design of Flexible Functionally Graded Piezocomposites - Toward Effective Vibration and Temperature Energy Harvesting Materials2018

    • 著者名/発表者名
      K. Mori, Z. Wang and F. Narita
    • 学会等名
      15th International Symposium on Functionally Graded Materials
    • 国際学会
  • [学会発表] Fabrication of Lead-Free Piezoelectric Particle/Polymer Composites and Voltage Output due to Air-Flow/Temperature Change2018

    • 著者名/発表者名
      Z. Wang, S. Abe, Z. Yang, Y. Kawakami and F. Narita
    • 学会等名
      Sixth Asian Conference on Mechanics of Functional Materials and Structures
    • 国際学会
  • [学会発表] 非鉛系圧電粒子分散プラスチック複合材料の作製と微風・温度変化発電2018

    • 著者名/発表者名
      王 真金,川上 祥広,楊 鎮駿,成田 史生
    • 学会等名
      日本機械学会M&M2018材料力学カンファレンス
  • [学会発表] 傾斜機能圧電複合材料の荷重および温度変化による環境発電特性評価2018

    • 著者名/発表者名
      森 孝太郎,前嶋 研祐,堀辺 忠志,王 真金,成田 史生
    • 学会等名
      日本機械学会M&M2018材料力学カンファレンス

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公開日: 2019-12-27  

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