先端圧電材料システムの分域回転・結晶粒再配向を考慮した電気破壊・メゾ力学

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13875021
• Research Category: Grant-in-Aid for Exploratory Research
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 進藤 裕英 東北大学, 大学院・工学研究科, 教授 (90111252)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 成田 史生 東北大学, 大学院・工学研究科, 助手 (10312604) ; 堀口 勝三 東北大学, 大学院・工学研究科, 助手 (30219224)
• Keywords: 弾性 / 電気破壊力学 / メゾメカニックス / 有限要素解析 / 材料試験 / 圧電材料システム / 分域回転 / 知的・電子材料システム

Research Abstract

本研究は,先端圧電材料システムの電気破壊力学特性を,ミクロ構造(結晶粒・転位・マイクロクラック等)及び分域・分極ならびに機械的変形・電気的擾乱によって発生する欠陥(き裂等)との相互作用を考慮して解明したものである.本年度は,圧電材料システムのマクロスケールにおける電気破壊力学特性に影響を及ぼすと考えられるメゾ構造をモデル化し,電気弾性場の解析を行った.また,圧電材料システムにおける電気破壊力学特性のメゾ力学に関する理論解析・数値シミュレーションを行い,破壊力学パラメータに及ぼす分域・分極及び結晶粒配向ならびに負荷電場の影響を解明した.さらに,圧電材料システムの電気破壊・変形実験を行い,破壊力学特性に及ぼす負荷電場の影響をメゾ構造因子を考慮して解明した.得られた成果を要約すると以下の通りである.
1.(1)圧電材料システムの破壊力学特性に及ぼす分域・分極及び結晶粒配向ならびに負荷電場の影響解明を目指し,き裂を有する圧電セラミックスの電気弾性問題を取り上げ,破壊力学パラメータに及ぼす電場の影響を解明・考察した.
(2)圧電応用デバイスの電気弾性特性に及ぼす分域回転・結晶粒再配向の影響解明を目指し,圧電セラミックス内部の電極端近傍における応力・電場集中について検討中である.
2.(1)圧電材料システムの電気破壊・メゾ力学特性評価を行うため,圧電セラミックスの破壊・変形実験(圧子圧入・予き裂導入破壊試験)を行い,破壊特性に及ぼす電場の影響を検討した.
(2)圧電セラミックスの改良型小型パンチ(MSP)試験を行い,破壊荷重に及ぼす分域回転・電場の影響を解明した.また,応力・電場集中による分極方向変化を考慮したMSP試験の非線形有限要素解析を行い,MSPエネルギー-電場のヒステリシス特性を解明して実験結果に理論的検討を加えた.
(3)三層圧電アクチュエータの曲げ試験・有限要素解析を行い,たわみに及ぼす分域回転・電場の影響について検討中である.

Research Products

• [Publications] F.Narita: "Electroelastic Analysis of a Long Circular Piezoelectric Cylinder With a Penny-Shaped Crack"Applied Mechanics in the Americas. 9. 329-332 (2002)
• [Publications] 成田史生: "圧電応用デバイス信頼性・耐久性評価のための電気破壊力学的研究"第13回「電磁力関連のダイナミクス」シンポジウム講演論文集,基調講演. 16-19 (2001)
• [Publications] 真柄安代: "有限要素法および改良型小型パンチ試験法による圧電セラミックス電気破壊・変形特性評価"第45回日本学術会議材料研究連合講演会講演論文集. 149-150 (2001)
• [Publications] 成田史生: "圧電セラミックス帯板の電気弾性破壊力学解析"第51回理論応用力学講演会論文集. 241-242 (2002)
• [Publications] Y.Shindo: "Evaluation of Electric Fracture and Deformation Properties of Piezoelectric Ceramics Using Finite Element and Modified Small Punch Test Techniques"International Conference on New Challenges in Mesomechanics. (発表予定). (2002)
• [Publications] 真柄安代: "圧電セラミックスの破壊・分域回転特性評価"第14回電磁力関連のダイナミクスシンポジウム. (発表予定). (2002)