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

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製を目指し、セルロースナノファイバー強化ポリマー複合材料や機能性絹糸を設計・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 helps realize aninternet of things (IoT) society. We focus on composite materials with piezoelectric ceramic particles or magnetostrictive alloy wires and address improving
their strength, function, 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.

圧電複合材料
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ポリマーを作製し、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。また、ポリマー内部の圧電粒子体積含有率を段階的に変化させた傾斜機能圧電粒子分散ポリマーの作製方法を提案し、構造を制御して試作後、圧縮衝撃・曲の展開が期待される。

磁歪複合材料
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。また、Fe-Co ワイヤを撚って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、高出力化も実現している。さらに、物質が付着した際ノファイバーや、岩石と同成分のバサルト繊維と生分解性ポリマーを組み合わせた高強度・低環境負荷複合材料の開発に取り組んでおり、分解過程における力学特性変化に注目した研究も進めている。また、蚕にセルロースナノファイバーを給餌し、高強度絹糸の創製に成功しており（Fig.3）、衰退しつつある日本の養蚕業復活への貢献と日本の絹製品の海外展開（Fig.4）が期待されている。

Other Activities

その他の活動<International exchange>
・JSPS Core-to-Core Program, “Establishing an International ResearchCenter for Multi-Energy Harvesting Materials and Devices to Realize anInternet-of-Things Society”＜国際交流＞The poling of carbon-fiber-reinforced polymer (CFRP) composites with afunction such as piezoelectricity is difficult due to the conductivity ofcarbon. Here, we prepared a lead-free piezoelectric nanoparticle dispersedepoxy resin with laminated CFRP electrode layers on the upper and lower
surfaces. A large electric field was applied by corona discharge, whichpolarized the composite successfully. We fabricated the piezoelectric
particle-dispersed polymers with controlled structures, the correlation
between the compressive impact and bending vibration power generation
functions and the graded composition distribution was clarified (see Fig.1).
Future developments are expected.

・傾斜機能材料研究会オンラインフォーラム FGMs2021 FGM 奨励賞

Magnetostrictive Composites

・2021 年 2 月 17 日 日経産業新聞

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 have developed
Fe-Co wire/resin composites and have succeeded in generating vibrationand impact. We have also established a technology to embed twisted FeCo wires in aluminum alloy and developed a light metal composite
material that converts impact into electricity. Furthermore, we developed
magnetostrictive virus sensors using the change in resonant frequency
and output power of magnetostrictive composites.

We develop high-strength, low-environmental-impact composites bycombining cellulose nanofibers, which are obtained by crushing wood fibers
to the utmost limit, and basalt fibers, which are similar in composition torocks, with biodegradable polymers. We also conduct research focusing onchanges in mechanical properties during the degradation process andresearch focusing on changes in mechanical properties during the degradation
process.

・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＞「圧電傾斜機能材料の設計と電気力学特性の有限要素解析」（丸山衡平、王真金、成田史生）<Award>・Functionally Graded Materials Online Forum, FGM Award for
Encouragement of “Design of Piezoelectric Gradient Functional Materials
and Finite Element Analysis of Their Electromechanical Properties”(Kohei Maruyama, Zhenjin Wang, and Fumio Narita)

・2020 年 11 月 19 日日刊工業「衝撃発電高効率に 軽金属複合材料<Media coverage>
・Asia Research News, “Changing the Silkworm’s Diet to Spin Stronger
Silk,” February 26, 2021
・Nikkei Business Daily, “CNF for Silkworm’s Diet to Spin Stronger Silk,”
February 17, 2021
・Nikkei Business Daily, “Corona: Providing peace of mind to society witha virus sensor that requires no power source,” December 7, 2020・The Daily Industrial News, “Development of Light Metal Composite
Material for High Efficiency Impact Power Generation,” November 19,
2020.

Fig.3 Cellulose nanofiber reinforced cocoon of a silkworm.

Fig.4 Picture of bachelor students and staffs.

＜報道＞・2021年 2 月 26 日 Asia Research News

“Changing the Silkworm's Diet to Spin Stronger Silk”「蚕の餌に CNF、糸の強度 2 倍 生分解性プラの用途拡大へ」

・2020 年 12 月 7日 日経産業新聞「コロナ社会の安心提供 電源不要のウイルスセンサー」
を開発」

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本研究室では、木質繊維を極限まで破砕して得られるセルロースナ

Eco-friendly Compositesの磁歪複合材料の共振周波数・出力電力変化に着目し、磁歪ウイルスセンサの実現に向けた研究を進めている（Fig.2）。

Fig.1 Schematic illustration of functionally graded piezoelectriccomposites for energy harvesting.

48 Coexistence Activity Report 2021

Fig.2 Schematic illustration of magnetostrictive virus
sensor mechanism.

先端環境創成学専攻

げ振動発電機能と傾斜組成分布との相関を解明している（Fig.1）。今後

Piezoelectric Composites

低環境負荷複合材料

Coexistence Activity Report 2021

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