氏名

イイヅカ トモノリ

飯塚 智徳

職名

講師(任期付) (https://researchmap.jp/7000005042/)

所属

(大学院情報生産システム研究科)

連絡先

URL等

研究者番号
20706890

外部研究資金

科学研究費採択状況

研究種別:

ポリマーナノコンポジット材料における絶縁特性の向上メカニズムの解明

2013年-0月-2015年-0月

配分額:¥2730000

学内研究制度

特定課題研究

機能性ポリマーナノコンポジット絶縁材料における高熱伝導性の向上

2013年度

研究成果概要:研究目的:ポリマーコンポジット材料における高熱伝導性の向上に向けたフィラー粒子添加効果を解明することと共に加工性向上のためフィラー粒子の低充填化を目的としている.研究内容:これまでに絶縁材料における高熱伝導率を数 [W/mk]程の...研究目的:ポリマーコンポジット材料における高熱伝導性の向上に向けたフィラー粒子添加効果を解明することと共に加工性向上のためフィラー粒子の低充填化を目的としている.研究内容:これまでに絶縁材料における高熱伝導率を数 [W/mk]程の値を得るにはフィラー粒子を高充填(80 vol%以上)する必要があった.ここでは,フィラー充填率の低充填化による熱伝導率の維持が可能かどうかの評価を行なった.評価方法:高熱伝導率の評価としてフィラー粒子充填率を従来の80 [vol%]から新たに60 [vol%]へと低充填とし,フィラー粒子の種類にはBN(板状,平均粒径 1.8 [μm],10.1 [μm],18.8 [μm]),MgO(球状,平均粒径 2 [μm],20 [μm]),Al2O3(球状,平均粒径 2.7 [μm],5 [μm],23 [μm])を用いた.ベース樹脂にはビスフェノールF型のエポキシ樹脂を用い,フィラー粒子とポリマーマトリックス間との結合を向上させるため,カップリング剤を用いた.熱伝導率測定にはレーザーフラッシュ法を用いた.研究結果:ベースとなるエポキシ樹脂そのものの熱伝導率は0.24 [W/mk]であり,これに各種フィラー粒子を充填することで,熱伝導率の特性付与が得られた.フィラー粒子の平均粒径が2 [μm]程度のものを60 [vol%]した結果,BN試料では3.63 [W/mk],MgO試料では3.58 [W/mk],Al2O3試料では4.98 [W/mk]ほどの熱伝導率の特性付与効果が得られた.また,フィラー粒子の平均粒径が20 [μm]付近のものでは,BN試料では6.23 [W/mk],MgO試料では4.94 [W/mk],Al2O3試料では3.68 [W/mk]となり,同様の特性付与効果を得ることが分かった.フィラー粒子の粒径を20 [μm]と1 [μm]を複合化させた試料では4.19 [W/mk]であった.研究結果考察:マイクロフィラーを60 [vol%]充填した試料において熱伝導率6 [W/mk]程度の特性付与を得ることができ,フィラー粒径2 [μm]付近のものでは,フィラーの形状による違いは見られなかった.しかし,フィラー粒径が20 [μm]付近と大きくなるにつれ,熱伝導率への付与効果に違いが分かり,球状フィラーよりも板状フィラーを用いることで試料内における熱伝導路を形成し易いことが分かった.また,試料の作製方法についてもフィラー粒子とポリマーとの界面をカップリング剤により結合を向上させることで,全ての試料において約1.5 [倍]の熱伝導率向上が得られ,全ての試料において試料内ボイド率を2 [%]以内に抑えることができた.しかしながら,これまでに高充填試料で得られた10 [W/mk]を達成するには今後さらなる改善が必要と考えられた.まとめ:本研究では,ポリマーナノコンポジット材料の熱伝導性の向上を評価し,ベースエポキシ試料にAl2O3,BN,MgO等の各フィラーの粒径や添加量を同一条件とし,コンポジット材料の作製方式の改良により,熱伝導率の向上(約1.5倍)や試料内ボイド率を全ての試料において2 [%]程度に抑制することができた.

ポリマーナノコンポジットにおける微量イオン不純物の高温絶縁特性への影響解明

2013年度

研究成果概要:研究目的:ポリマーコンポジット材料における絶縁性能の温度依存性とその要因を解明することを目的としている.研究内容:これまでにフィラー粒子を添加することで絶縁劣化特性を向上させることが可能であることを明らかにしてきた.そこで,本研究...研究目的:ポリマーコンポジット材料における絶縁性能の温度依存性とその要因を解明することを目的としている.研究内容:これまでにフィラー粒子を添加することで絶縁劣化特性を向上させることが可能であることを明らかにしてきた.そこで,本研究では,高温環境下での耐部分放電特性に着目した.評価方法:耐部分放電試験における試験環境を30[℃],60[℃],110[℃]とし,高温環境下における絶縁特性への影響を評価した.用いた絶縁材料としては,高熱伝導性の向上のためのマイクロフィラー粒子を30 [wt%],40 [wt%],50 [wt%],60 [wt%]充填した試料を作製し,試験環境による違いを温度依存性とし,表面劣化深さを比較することで評価した.試験条件として印加電圧4 [kVrms]とし,商用周波数60 [Hz]を10倍した600 [Hz]での加速劣化試験を行なった.印加実時間を12間,24時間,48時間,60時間とした.特性評価としてレーザー顕微鏡を用いた試料表面における侵食深さを測定し,未侵食部と侵食部との最大劣化深さを侵食断面形状より測定した.研究結果:ニート試料に対しフィラーを添加することで表面侵食深さが抑制されていることが形状プロファイルから得られていることが分かった.印加時間600 [hour] (実印加時間60 時間)においてそれぞれの試験環境下による違いとして,30[℃]の場合では,ニート試料では侵食深さが139.6 [μm] であったものが,60 wt%試料では41.4 [μm]となった.60℃の場合ではニート試料では175.7 [μm]であり,60 wt%試料では73.3 [μm]となった.110℃の場合では,ニート試料では288.1 [μm]であり,60 wt%試料では,140.0 [μm]であった.以上のことから全ての試料においてフィラー添加による表面劣化への抑制効果が得られた.しかしながら,温度による影響が大きく,特に110[℃]の試験環境下では試料への放電劣化が顕著となり,平均劣化深さはニート試料では288.1 [μm]となった.これは,30[℃]での劣化深さ(139.63 [μm])に対し,約2倍もの劣化深さとなった.研究結果考察:ニート試料とマイクロコンポジット試料共に劣化程度が最も深い領域は中心部である.マイクロコンポジット試料の中心部には,放電後に白い粒子が残存した.マイクロコンポジット試料の劣化形状は,マイクロ粒子が劣化侵食面に堆積し,垂直方向への劣化を抑制していたが,侵食領域面は広がっており,劣化中心部から周囲への侵食が進展したものと考えられる.また,実験環境の温度が上昇すると,劣化深さが大きくなり,いずれの温度変化環境でもマイクロアルミナフィラーは表面劣化の抑制に有効ということが分かった.放電試験後の試料表面を光学顕微鏡で観察すると,実験環境の温度が上昇するにつれ,ニート試料とコンポジット試料のいずれも試料表面が茶色く変色し,放電劣化後の面積も広がっている様子が分かった.試料表面の色変化は熱劣化と考えられ,ニート試料と比べ,コンポジット試料では,周辺部での変色が顕著であり,劣化面積も広くなっていると考えられる.しかしながら,その劣化変色機構については今後より詳細に調べていく必要があると考えられた.まとめ:ポリマーナノコンポジット絶縁材料における高温環境下での部分放電特性に着目し,絶縁材料における高熱伝導性の向上のためにマイクロフィラー粒子を30 [wt%],40 [wt%],50 [wt%],60 [wt%]充填した試料を作製し,温度依存性を比較評価した.その結果,高温環境下では約2倍もの劣化深さとなり,温度依存性が大きいことが分かった.

金属ナノ粒子を用いたポリマーナノコンポジット材料における 絶縁特性への影響解明

2014年度

研究成果概要:絶縁特性試験評価として,ナノシリカ粒子を混合した試料に対し,金属ナノニッケル粒子を追加混合したハイブリッド材料(金属/有機/無機-複合)の絶縁性と電磁シールド特性の付与への可能性を評価した.耐部分放電特性(PD)試験での表面劣化深...絶縁特性試験評価として,ナノシリカ粒子を混合した試料に対し,金属ナノニッケル粒子を追加混合したハイブリッド材料(金属/有機/無機-複合)の絶縁性と電磁シールド特性の付与への可能性を評価した.耐部分放電特性(PD)試験での表面劣化深さ比較では,これまでに得られているニートエポキシ試料(印加時間120 時間)20 µm程度のものが,ナノNiを追加混合させた試料では40 µm程度となり,耐絶縁性へは2倍程度の深さとなり,ナノシリカ試料(16 µm)の3倍の深さとなった.また,誘電率比較では,ニートエポキシ試料の誘電率(1 kHz) はε= 3.56 に比べ,SiO2 (12 nm:3 wt%)でのε= 3.68に比べ,金属粒子(Ni 500nm)を3 wt%混合した試料では,ε= 3.75程度となった.

現在担当している科目

科目名開講学部・研究科開講年度学期
工学実験技術基礎大学院情報生産システム研究科2019春学期
ナノテク材料大学院情報生産システム研究科2019秋学期
工学実験技術基礎大学院情報生産システム研究科2019秋学期
絶縁材料工学大学院情報生産システム研究科2019春学期
工学実験技術特別演習大学院情報生産システム研究科2019春学期
誘電・絶縁材料特別演習大学院情報生産システム研究科2019秋学期