異方性体の特異な力学効果を利用したFRP圧電素子

利用各向异性材料独特的机械效应的FRP压电元件

• 批准号: 13875125
• 负责人: 若島 健司
• 金额: $ 1.41万
• 依托单位: Tokyo Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Exploratory Research
• 财政年份: 2001
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2001 至 无数据
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-13875125/
• 关键词: 圧電性; 複合材料; 圧電セラミック粒子; ポリマー; 圧電捩れ素子; 圧電性; 複合材料; 圧電セラミック粒子; ポリマー; 圧電捩れ素子

単斜異方性体として特徴づけられる"off-axis"一方向繊維強化ラミナ(UDラミナ)の特異な力学効果"nomal-shear coupling"を利用した新規の圧電材料として、厚さ方向の印加電界(E_3)によって捩振れ変形するモノモルフ圧電素子を考案し、PZT(Pb(Zr, Ti)O_3)微粒子を分散させたエポキシ樹脂とガラス繊維のハイブリッド複合系を設計対象として、その実現可能性を具体的に検討した。この圧電捩れ素子は、方位角+θと-θのUDラミナによる反対称斜交積層ラミネートであり、その単位電界あたりの捩れ曲率κ/E_3は(d_<31>、-d_<32>)sin2θに比例する。つまり、UDラミナの圧電横効果を表す定数d_<31>(x_1軸//繊維軸方向)とd_<32>が、繊維強化によって|d_<31>|<|d_<32>|なり、この面内異方性が捩れ変形の支配因子となる。本研究では、微視力学解析による一連の計算を行って、UDラミナの基本物性(弾性率、誘電率、圧電d定数)に及ぼすPZT粒子およびガラス繊維の体積含有率の影響を定量的に調べ、供試体成形作業の難易度も考慮して、PZTとエポキシの配合比(体積比)は約50:50、ガラス繊維の体積率は10〜20%に設定した。PZT粉末(粒径0.5〜1μm)とエポキシ樹脂の撹拌脱泡スラリーを開繊処理したガラス繊維束中に含浸させ、80℃で加圧成形して、厚さ250〜350μmのUDラミナを作製した。これにAuPd電極を蒸着し、80℃のシリコンオイル中で約40MV/mの電界を印加して分極処理を施した。これを供試体とし、Reolograph-Solid・(東洋精機(株)製)を用いて繊維軸に平行および垂直方向の圧電ひずみ定数(d_<31>、d_<32>)とヤング率(E_L、E_T)および厚さ方向の誘電率を25〜80℃の温度域で測定し、繊維強化による面内圧電異方性の発現を確認すると共に、その温度依存性も明らかにした。さらに、2枚のUDラミナを±45°に反対称積層したラミネートについて、室温にて厚さ方向の印加電圧(AC50V)による捩れ応答を検出した。

As a novel piezoelectric material, using the unique mechanical effect of "nomal-shear coupling" of "off-axis" one-way fiber-reinforced lamina (UD lamina), which is characterized as a monoclinic anisotropy, we have devised a monomorphous piezoelectric element that twists and deforms by an applied electric field in the thickness direction (E_3).我们已经特别研究了这种类型的可行性，作为环氧树脂和玻璃纤维的混合复合系统，其中PZT（Pb（Zr，Ti）O_3）细颗粒分散。该压电电扭转元件是一种反对称的斜层层压板，具有具有方位角 +θ和-θ的UD层层，并且每单位电场的扭转曲率κ/E_3与（d_ <31>，-d_d_ <32>）SIN2θ组成比例成正比。换句话说，常数d_ <31>（x_1轴//光纤轴方向）和d_ <32>表示UD层的压电横向效应是| d_ <31> | <31> | <| d_ <32> |由于纤维增强，这种平面各向异性成为扭转变形的主要因素。在这项研究中，使用微机械分析进行了一系列计算，以定量检查PZT颗粒和玻璃纤维的体积含量对UD层层（弹性模量，电磁性常数，压电d常数）的基本物理性能的影响，并考虑了蓝色成型率的难度（均可级别的均值），并考虑到均值（pz）的难度。 50:50，玻璃纤维的体积比设置为10-20％。将PZT粉末（粒径0.5-1μM）和环氧树脂的搅拌散散浆液浸入用开放式纤维处理的玻璃纤维束中，并在80°C下按下，以准备UD层，以250-350μm的厚度制备UD层。将AUPD电极沉积在此上，并在80°C的硅油中施用约40 mV/m的电场进行极化处理。 Using this as a specimen, the piezoelectric strain constants (d_<31>, d_<32>) in the parallel and vertical direction of the fiber axis, the Young's modulus (E_L, E_T) and the thickness-direction dielectric constant were measured in a temperature range of 25-80° C. to confirm the in-plane piezoelectric anisotropy caused by fiber reinforcement, and the temperature还阐明了平面压电各向异性的依赖性。此外，对于层压板，在±45°的层压板中，在±45°的情况下堆叠了两层，由于在室温下检测到厚度方向上施加的电压（AC50V）引起的扭转响应。