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2012 年度 実績報告書

スマート圧電材料・薄膜システムのメゾ力学設計・開発と高効率・環境負荷低減化

研究課題

研究課題/領域番号 24360041
研究種目

基盤研究(B)

研究機関東北大学

研究代表者

進藤 裕英  東北大学, 大学院・工学研究科, 教授 (90111252)

研究分担者 成田 史生  東北大学, 大学院・工学研究科, 准教授 (10312604)
竹田 智  東北大学, 大学院・工学研究科, 助教 (70451531)
研究期間 (年度) 2012-04-01 – 2015-03-31
キーワード圧電メゾ力学 / 数値シミュレーション / 材料試験 / 圧電材料・薄膜システム / 電場・力学場相互干渉 / スマートデバイス / マイクロ・ナノシステム / 環境発電
研究概要

本研究は,次世代環境配慮型スマートデバイスのメゾ力学設計指針・開発思想を提供することを目的に,圧電材料・薄膜システムの検知・応答機能及び破壊・疲労挙動をマルチフィジックス数値シミュレーション(電場・力学場相互干渉,マイクロ・ナノ構造,化学組成・添加元素,焼成・蒸着の時間・温度等を考慮)・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.(a)片側縁き裂を有するソフト・ハード系圧電セラミックスを取り上げ,交流電場下における三点曲げ静疲労試験及び有限要素解析を行い,破断時間のエネルギー解放率依存性に及ぼす交流電場の影響を解明・考察した.
(b)交流電場下における片側縁き裂を有するソフト・ハード系圧電セラミックスの三点曲げ動疲労試験及び有限要素解析を行い,破壊荷重や臨界エネルギー解放率に及ぼす交流電場の影響を解明・考察した.
(c)片側縁き裂を有する圧電セラミックスを取り上げ,直流電場下における三点曲げ繰返し疲労試験及び有限要素解析を行い,破断繰返し数(疲労寿命)やエネルギー解放率に及ぼす電場・分極回転の影響を解明・考察した.また,圧電セラミックスの繰返し疲労挙動に及ぼす交流電場・分域壁移動の影響についても同様に検討し,興味ある結果を得ている.
2.S字型圧電バイモルフハーベスターの振動試験および有限要素解析を行い,動的曲げ・ねじりによる出力電圧・電力を解明・考察中である.
3.非鉛系圧電材料・薄膜システムのフェーズフィールド解析プログラム開発に成功し,電気力学特性に及ぼすマイクロ・ナノ構造(分域・分極,結晶粒径等),添加元素(酸素空孔・欠陥等),焼成・蒸着の時間・温度等の影響について検討中である.

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

圧電材料・薄膜システムのメゾ強度・機能評価法を開発し,破壊・疲労挙動に及ぼす電場の影響解明に成功している.また,圧電ハーベスターの検知・応答機能評価に成功し,環境発電特性に関する基礎データを取得している.

今後の研究の推進方策

圧電材料・薄膜システムの最適な材料・構造を見出し,高効率・省電力・小型軽量化を図る.また,非鉛系圧電材料・薄膜システムの強度・機能評価を行い,次世代環境配慮型スマートデバイスのメゾ力学設計指針・開発思想提供を目指す.

  • 研究成果

    (10件)

すべて 2013 2012 その他

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件) 学会発表 (4件) 図書 (2件)

  • [雑誌論文] Effects of Electric Field and Poling on the Fatigue of Cracked Piezoelectric Ceramics in Cyclic Three-Point Bending2013

    • 著者名/発表者名
      Yasuhide Shindo
    • 雑誌名

      Journal of Electroceramics

      巻: 31 ページ: 8-14

    • DOI

      10.1007/s10832-013-9798-8

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Effects of Electric Field and Poling on the Mode I Energy Release Rate in Cracked Piezoelectric Ceramics at Cryogenic Temperatures2013

    • 著者名/発表者名
      Yasuhide Shindo
    • 雑誌名

      Acta Mechanica

      巻: 224 ページ: 2547-2558

    • DOI

      10.1007/s00707-013-0949-4

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Dynamic Fatigue Behavior of Cracked Piezoelectric Ceramics in Three-Point Bending under AC Electric Fields2012

    • 著者名/発表者名
      Fumio Narita
    • 雑誌名

      Journal of the European Ceramic Society

      巻: 32 ページ: 3759-3766

    • DOI

      10.1016/j.jeurceramsoc.2012.05.033

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Fracture and Fatigue Behavior of Cracked Piezoelectric Ceramics under Electric Fields2012

    • 著者名/発表者名
      Yasuhide Shindo
    • 雑誌名

      AES Technical Reviews Journals, PART C

      巻: 1 ページ: 13-20

    • 査読あり
  • [学会発表] Cryogenic Electromechanical Response of Multilayer PbZr_<1-x>Ti_xO_3 Actuators under DC and AC Electric Fields in Hydrogen Fuel Injection Systems2012

    • 著者名/発表者名
      Yasuhide Shindo
    • 学会等名
      4th International Conference on Computational Methods
    • 発表場所
      Gold Coast, Australia(招待講演)
    • 年月日
      2012-11-27
  • [学会発表] Static and Dynamic Fatigue of Cracked Piezoelectric Ceramics in Three-Point Bending under AC Electric Fields2012

    • 著者名/発表者名
      Yasuhide Shindo
    • 学会等名
      23rd International Congress of Theoretical and Applied Mechanics
    • 発表場所
      Beijing, China
    • 年月日
      2012-08-20
  • [学会発表] Fracture and Fatigue Behavior of Cracked Piezoelectric Ceramics under Electric Fields2012

    • 著者名/発表者名
      Yasuhide Shindo
    • 学会等名
      AES-ATEMA' 2012 Eleventh International Convention Oil Advances and Trends in Engineering Materials and their Applications
    • 発表場所
      Toronto, Canada(招待講演)
    • 年月日
      2012-08-07
  • [学会発表] Dynamic Fatigue of Three-Point Bending PZT Ceramics with a Crack under AC Electric Fields2012

    • 著者名/発表者名
      Yasuhide Shindo
    • 学会等名
      8th European Solid Mechanics Conference
    • 発表場所
      Graz, Austria
    • 年月日
      2012-07-12
  • [図書] Smart Actuation and Sensing Systems - Recent Advances and Future Challenges2012

    • 著者名/発表者名
      Yasuhide Shindo
    • 総ページ数
      639-656
    • 出版者
      InTech Publishing Company
  • [図書] Handbook on Micromechanics and Nanomechanics

    • 著者名/発表者名
      Yasuhide Shindo
    • 出版者
      Pan Stanford Publishing Co.(印刷中)

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公開日: 2014-07-16  

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