2017 Fiscal Year Annual Research Report
Design and fabrication of multiferroic materials with huge magnetoelectic effect caused by digital composite structure
| Project/Area Number |
17H03151
|
|---|
| Research Institution | Osaka Institute of Technology |
|---|
Principal Investigator |
上辻 靖智 大阪工業大学, 工学部, 教授 (00340604)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2022-03-31
|
| Keywords | 機械材料・材料力学 / 機能材料 / マルチスケール解析 / 電気磁気効果 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
次世代新規デバイス開発の核となるマルチフェロイック材料の電気磁気効果を飛躍的に向上することを目的とし，これまでに強誘電体材料で実績のあるマルチスケール構造最適設計を応用して，数値解析主導の材料開発に着手している．巨大なマクロ電気磁気効果の発現の鍵はミクロ不均質構造とカップリング（圧電および圧磁）特性の相乗効果にあり，従来の均質単結晶体の積層構造を超える潜在能力が未開拓である．
平成29年度は均質化理論に基づいたマルチスケール最適設計法の開発に着手した．これまでのマルチスケール有限要素解析に関する研究実績とミクロ不均質構造の最適設計に関する研究実績を踏まえ，スケール連成に均質化法，不均質構造の多変数最適化に最急降下法を採用した．変位-電位-磁位連成問題のマルチスケール最適設計の定式化を行い，それに基づいた有限要素解析プログラムを新たに開発している．ミクロ構造の最適設計サブルーチンを残してマルチスケール解析のプログラム開発は完了し，基本的なミクロ構造モデルに検証により妥当性も確認した．一方，マルチフェロイック材料の創製に関しては，ボールミル粉砕した強誘電体および強磁性体の粉末原料の性状を分析するための装置として，ナノ粒子マルチアナライザー（メイワフォーシスqNano）を導入し，次年度以降に向けて試料創製の準備を完了した．チタン酸バリウム粉体の市販品を用いて，計測方法の確認，計測技術の向上に取り組んだ．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
目標とする均質化理論に基づいたマルチスケール最適設計法に対して，これまでに強誘電体を対象として開発済みであったマルチスケール有限要素解析プログラムをベースとして開発を行っている．変位と電位の連成問題に磁位も加えた連成問題へ拡張し，均質化理論に基づいたスケール連成の定式化を行った．定式化において新たな問題はなく，計画のとおりに完了した．また，定式化したマルチスケール・マルチフィジックス方程式をプログラムに組み込み，直列および並列のミクロ構造モデルによる検証を実施し，妥当な計算値を出力することを確認できた．
一方，強誘電体および強磁性体の粉末原料の性状を分析するためのナノ粒子マルチアナライザーも計画変更なく設置完了した．標準サンプルによる動作確認のほか，強誘電体である市販のチタン酸バリウム粉体の計測試験も実施した．本装置は電気抵抗ナノパルス方式を採用していることから，粒サイズのほか，アスペクト比も計測でき，チタン酸バリウム粉体に対してそれらの基本特性の計測に成功した．
|
| Strategy for Future Research Activity |
平成30年度は昨年度からの均質化理論に基づいたマルチスケール最適設計法の構築を継続し，これを完了する．これまでのマルチスケール有限要素解析に関する研究実績とミクロ不均質構造の最適設計に関する研究実績を踏まえ，スケール連成に均質化法，不均質構造の多変数最適化に最急降下法を採用する．変位-電位-磁位連成問題のマルチスケール最適設計の定式化を行い，それに基づいた有限要素解析プログラムを新たに開発する．特に，最適のサブルーチンを完成させる．また，構築した設計法を用いて，マルチフェロイック複合材料のマクロ電気磁気効果を最大化するミクロ構造の最適化を実施する．強誘電体および強磁性体の材料組合せ，体積含有率の影響，結晶構造の異方性，自発分極のスイッチング効果を考慮し，均質単結晶体の積層構造を超えるミクロ構造を探求する．
一方，圧粉・焼結法によるマルチフェロイック複合材料の創製を開始する．昨年度に導入したナノ粒子マルチアナライザーを用いて，ボールミル粉砕した強誘電体および強磁性体の粉体について粒度分布，アスペクト比を調査し，それらの基本的性状を明らかにする．また，金型への二相粉体の注入方法も検討し，結晶性と圧電特性に及ぼす焼結条件の影響を調査する．
|
Research Products
(6 results)
