資源循環プロセス学講座
複合材料設計学分野

Sustainable Recycle Process

Mechanics and Design of Composite Materials

環境に配慮したマルチファンクショナル
複合材料の設計・開発・評価

教授 成田 史生

助教 栗田 大樹

Design, development and evaluation of multi-functional composite materials

Professor

Fumio Narita

Assistant Professor

Hiroki Kurita

日本学術振興会特別研究員 楊 鎮駿Group photo（昨年度）

JSPS Research Fellowshipfor Young Scientist

Group photo（昼食）ResearcherZhenjun Yang

本研究室では、IoT（モノのインターネット）社会の実現に導く環境発電（エネルギーハーベスティング）材料やセンサ材料の設計・開発・評価に取り組んでいる。特に、圧電セラミック粒子や磁歪合金ワイヤを利用した複合材料に注目し、強度・機能特性と信頼性・耐久性の向上を目指して理論的・実験的研究を進めている。また、環境汚染を食い止めるための極低環境負荷構造材料の創成を目指し、セルロースナノファイバー強化ポリマー複合材料を設計・開発して、力学・物理特性と微細構造との関係を評価している。
Our laboratory is engaged in research to design and develop composite materials for energy-harvesting and sensor applications, which realize an Internetof Things (IoT) society. We focus on composite materials with piezoelectric ceramic particles or magnetostrictive alloy wires and address improving theirstrength and function or the reliability and durability. Furthermore, we are studying cellulose nanofiber-reinforced polymer composites and evaluating therelationship between their mechanical/physical properties and microstructures to prevent environmental pollution.

込む（Fig.4）ことで高出力化も実現している。金属母材の複合材料によって、強度が必要とされるアルミニウム合金製の自動車部材や高温環境で使用される輸送機器のエンジン駆動部にも振動・衝撃発電機能を付与することが可能となり、期待が寄せられている。

セルロースナノファイバー強化ポリマー複合材料
セルロースナノファイバーは、木質繊維を極限まで破砕して得られるナノ繊維で、超高強度、軽量、低環境負荷であることから、複合材料の次世代強化繊維として大きく注目されている。しかしながら、ポリマー

圧電複合材料

Piezoelectric Composites

磁歪複合材料

Magnetostrictive Composites

鉛（PZT）には有害物質（鉛）が含まれているため、柔軟な非鉛系圧電材料の開発が要望されている。本研究室では、鉛フリー圧電ナノ粒
子分散樹脂を作製し、炭素繊維強化プラスチック（CFRP）を積層して電極として用い、コロナ放電分極に成功している。圧電ナノ粒子分散
CFRP 複合材料の分極処理は炭素の導電性により困難であったが、上記手法により曲げ振動や衝撃荷重から電圧・電力を回収できる軽量で強靱な CFRP 複合材料の実現可能性が示され（Fig.1）、今後の展開が超磁歪特性を示す Tb-Dy-Fe 合金は、脆さや渦電流発生などが問題となっており、高価格であるという欠点も有している。Fe-Ga 合金いる。本研究室では、Fe-Co ワイヤ / 樹脂複合材料を開発し、振動・衝撃発電に成功している（Fig.2）。また、Fe-Co ワイヤをアルミニウム合金に埋め込む技術を確立し、衝撃を電気に変換する軽金属複合材料を開発している（Fig.3）他、2 本の Fe-Co ワイヤを撚って埋めFig.1 Output voltage versus amplitude (frequency fixed at 60 Hz)
for piezo-resin/CFRP composite under bending vibration.

48 Coexistence Activity Report 2020

Fig.2 Output power obtained by magnetostrictive wire integrated
shoes during the usual walk.

強化機構解明に成功している。

その他の活動Other Activities＜国際交流＞

・JSPS 研究拠点形成事業 A. 先端拠点形成型「IoT 社会を実現するマルチ環境発電材料・デバイス 国際研究拠点形成」＜受賞＞

・2020 年度 第 7 回 IRMAIL サイエンスグラント「ヴァーダー・サイエンティフィック賞」
（栗田）
＜報道＞

・2020 年 4 月 6 日 日刊自動車「“ 材料界の逸材 ” 植物由来の CNF
金属との複合化で飛躍的に用途拡大」

・2020 年 11 月 19 日 日刊工業「衝撃発電高効率に料を開発」

軽金属複合材・2020 年 11 月 26 日 Advanced Science News “Grabbingviruses out of thin air”

・2020 年 12 月 7 日 日経産業「コロナ社会の安心提供
ウイルスセンサー」

Cellulose nanofiber (CNF) is a nanofiber obtained by the extreme crush ofwood fibers. CNF attracts attention as a new generation reinforced fiber
for composite materials, owing to its outstanding mechanical properties,
lightweight, low environmental load, and so forth. However, thestrengthening mechanism of CNF in a polymer matrix has not been
revealed. Therefore, we evaluated the strengthening mechanism of CNF inepoxy resin.

電源不要のFig.3 Output power for Fe-Co wire /Al-Si matrix magnetostrictive
composite under compression with differing resistive loads.

<International exchange>
・JSPS Core-to-Core Program “Establishing an International ResearchCenter for Multi-Energy Harvesting Materials and Devices to Realize theIoT Society”<Award>・7th IRMAIL Science Grant “Verder Scientific Award” 2020 (H. Kurita)<Media coverage>
・April 6th, 2020 Daily Automotive News “Plant-Derived CNF: Expanding
Applications Through Combinations with Metals”
・November 19th, 2020 The Nikkan Kogyo Shimbun “Lightweight Metallic
Matrix Composites: Development of High Efficiency Vibration Energy
Harvesting Material”
・November 26th, 2020 Advanced Science News “Grabbing Viruses Out ofThin Air”
・December 7th, 2020 Nikkei Business Daily “Peace of Mind During
COVID-19: Virus Sensors without Power Supply”

Department of Frontier Sciences for Advanced Environmentも同様に超磁歪特性を示すが、加工の難しさが製品化の障害となってMagnetostrictive Tb-Dy-Fe and Fe-Ga alloys have a wide variety ofapplications due to their great capability as sensors and energy-harvesting
devices. However, the difficulty in machinability and the fabrication cost
inhibit their applications as magnetostrictive devices. We developed
magnetostrictive Fe-Co wire-embedded epoxy matrix composites toincrease the flexibility of the material (Fig.2). A class of lightweight FeCo wire/Al-Si matrix magnetostrictive composites was also prepared, andthe excellent energy-harvesting performance was exhibited (Fig.3).
Furthermore, we showed that a design with twisted Fe-Co wire

本研究室では、セルロースナノファイバーをエポキシ樹脂に分散させ、Cellulose Nanofiber-Reinforced Polymer
Composites

先端環境創成学専攻期待される。

The design and development of carbon fiber-reinforced polymer (CFRP)
composites with a function such as piezoelectricity are difficult due to theconductivity of carbon. Here, we prepared a lead-free piezoelectric
nanoparticle-dispersed epoxy resin with laminated CFRP layers in theupper and lower surfaces. A large electric field was applied by corona
discharge, which polarized the composite successfully. The results suggestthat the CFRP layer can be used as an electrode to develop CFRP composite
materials with energy-harvesting performance (Fig.1). Such novel findings
are promising for the fabrication of piezo-resin/CFRP composite
generators, opening the door for the design and development of lightweight,
robust, and efficient energy-harvesting structures.

圧電セラミックスは脆く、また、高圧電特性のチタン酸ジルコン酸と複合した際の強化機構については明らかになっていない状況にある。

significantly enhanced the output performance of the magnetostrictive FeCo/Al-Si composite (Fig.4). Our work proposes a feasible exploration on
fabricating lightweight magnetostrictive composites that are potentiallyapplied in sensors or energy-harvesters, especially at a relatively hightemperature.

Fig.4 Photography of the twisted Fe-Co wire/Al-Si matrix composite.

Coexistence Activity Report 202049