| 研究課題/領域番号 |
19H02797
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| 研究機関 | 埼玉大学 |
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研究代表者 |
武田 博明 埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (00324971)
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| 研究分担者 |
青柳 忍 名古屋市立大学, 大学院理学研究科, 教授 (40360838)
鶴見 敬章 東京工業大学, 物質理工学院, 教授 (70188647)
保科 拓也 東京工業大学, 物質理工学院, 准教授 (80509399)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | 圧電結晶 / 結晶育成 / 高温特性 / 機械的強度 |
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| 研究実績の概要 |
地熱・火力発電所の安全管理、化学プラントの環境配慮、内燃機関の精密燃焼制御等を可能とする耐熱性の圧電センサが渇望されている。この圧電センサを実現するには1000℃の高温まで①高い化学安定性・②温度安定な圧電特性・③高い電気抵抗率・④結晶化が容易・⑤高い圧縮強度をもつ圧電結晶が必須である。本研究は、これらすべての条件を満たす新規結晶を創製し、その各種圧電センサを開発する。
今年度は有望な圧電結晶の一つであるメリライト型結晶に着目した。メリライト型結晶は点群-42mに属し、独立な圧電定数d14、d36をもつ。これらの圧電定数をベースに回転基板をもちいることで、圧電センサに必要な長さ伸び振動モードの圧電定数d’31 を得ることができる。メリライト型結晶は(001)面に沿って劈開を示すため、d14をベースとした結晶基板の機械的強度が低い（科研費15KK0201での成果）。そこで、d36をベースとした d’31の大きい結晶の探索ならびにそのバルク結晶化を行った。d36が大きいメリライト型結晶としてオケルマナイト(CMS)に着目した。ただし、CMSは80℃付近で相転移を生じ、圧電定数d36が温度によって大きく変化する。そこで、まず、この相転移を低温化させるため、相図を参考にCMSのCaをSrに置換することを試みた。固相反応法により目的のSr置換CMS結晶の多結晶粉末を合成した。その粉末をもちいてDSC測定により相転移温度を確認し、十分低温となる組成を決定した。レーザー溶融法で単結晶化を確認した後、チョクラルスキー法によりバルク単結晶を育成した。結果、無色透明なSr置換CMS単結晶が得られた。結晶からd36をベースとした d’31を求めた。Sr置換CMSは室温で水晶と同程度の圧電定数を示し、さらにその温度変化が小さく、センサ用材料として有望であることがわかった。
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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
新しい高温用圧電材料としてSr置換CMS結晶を見いだし、そのバルク化に成功した。その圧電特性は水晶並みであることが分かり、水晶の使用温度限界を超えた高温まで相転移が生じないという知見も得ている。本研究で目指している水晶を超える圧電材料の開発という点で確実に進歩しており、研究計画はおおむね順調に進展していると判断される。
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| 今後の研究の推進方策 |
引き続き、Sr置換CMS結晶についてより詳細な圧電特性、機械的強度を測定し、高温圧電材料への展開できる可能性を探索する。最も可能性の高い結晶組成において、デバイス量産化を見据え、出発原料の化学組成と育成結晶の化学組成が一致する「コングルエント組成」の探索に取り掛かる。さらに、燃焼圧センサとして一部実用化されているランガサイト型結晶に関する研究も行う。このランガサイト型結晶に新たな課題が生じている。それは、センサ素子が圧電結晶の両面が金属板に挟まれた構造がベースとなっているが、結晶と金属との熱膨張率の差から熱応力が発生し、この状態で異常燃焼により生じる撃力が加わると結晶が破壊されることが懸念されている。この熱応力の異方性を低減するための研究を併せて行う。得られた結果をとりまとめ学会発表や論文発表を行うことで国内外に成果を発信する。
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