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

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 and function or reliability and durability. Furthermore, we are studying cellulose nanofiber-reinforced polymer composites
and evaluating the relationship 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ている（Fig.1）。今後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なっている。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、物質が付着した際の磁歪複合材料の共振周波数・出力電力変化に着目し、Magnetostrictive CompositesMagnetostrictive Tb-Dy-Fe and Fe-Ga alloys have a wide variety ofapplications due to their great capability as sensors and energyharvesting devices. However, the difficulty in machinability and thefabrication cost inhibit their applications as magnetostrictive devices.
We have developed Fe-Co wire/resin composites and have succeeded ingenerating vibration and impact. We have also established a technology
to embed twisted Fe-Co wires in aluminum alloy and developed a lightmetal composite material that converts impact into electricity.
Furthermore, we developed magnetostrictive virus sensors using thechange in resonant frequency and output power of magnetostrictive
composites.

Zhenjin Wang

低環境負荷複合材料

Eco-friendly (Green) Composites

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（グリーンコンポジット）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、衰退しつつある日本の養蚕業復We develop high-strength, low-environmental-impact (i.e., green)
composites by combining cellulose nanofibers, which are obtained bycrushing wood fibers to the utmost limit, and basalt fibers, which aresimilar in composition to rocks, with biodegradable polymers. We also
conduct research focusing on changes in mechanical properties during
the degradation process and research focusing on changes in mechanicalproperties during the degradation process.

活への貢献が期待されている（Fig.3）。

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
an Internet-of-Things Society”＜国際交流＞・JJSPS 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＞

・8th Asian Conference on Mechanics of Functional Materialsand Structures , 最優秀発表賞，Toshiki Ueno, Hiroki Kurita,Fumio Narita

・Symposium on Functionally Graded Materials 2022,

最優秀発表賞，Kohei Maruyama, Zhenjin Wang, Fumio Narita

・第 8 回「ジャパン・レジリエンス・アワード（強靱化大賞）」「STOP 感染症大賞」

・防災・減災 × サステナブル大賞 2022 防災・減災 × ＳＤＧｓ賞
アカデミー & ジュニアアカデミー部門 グローバル賞＜報道＞・2022 年 12 月 21 日（水）河北新報 「電源自給型センサー開発
振動利用し発電、情報送信」

・2022 年 3 月 2 日（水）日刊工業 「振動が農業を変える？

<Award>・8th Asian Conference on Mechanics of Functional Materials andStructures, Best Paper Award, T. Ueno, H. Kurita, F. Narita
・Symposium on Functionally Graded Materials 2022, Best Presentation
Award, K. Maruyama, Z. Wang, F. Narita
・8th Japan Resilience Awards 2022, Prize for "Stopping Infectious
Diseases"
・2022 Disaster Prevention and Mitigation x Sustainability Award,
Disaster Prevention and Mitigation x SDGs Award: Academy &Junior Academy Category<Media coverage>
・Kahoku Shinpo, “Development of a power supply self-sufficientsensor that generates electricity and transmits information usingvibration” December 21, 2022
・Nikkan Kogyo Shinbun, “Vibrations will change agriculture?
Magnetostrictive material halves pest density” March 2, 2022.

磁歪材で害虫密度半減」

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 gradedpiezoelectric composites for energy harvesting.

52 Coexistence Activity Report 2022

Fig.2 Schematic illustration of magnetostrictive
virus sensor mechanism.

Fig.3 Cellulose nanofiber reinforced
cocoon of a silkworm.

Department of Frontier Sciences for Advanced Environment

合金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The design and development of carbon-fiber-reinforced polymer (CFRP)
composites with a function such as piezoelectricity are difficult due tothe conductivity of carbon. Here, we prepared a lead-free piezoelectric
nanoparticle-dispersed epoxy resin with laminated CFRP layers on theupper and lower surfaces. A large electric field was applied by corona
discharge, which polarized the composite successfully. We fabricatedthe piezoelectric particle-dispersed polymers with controlled structures,the correlation between the compressive shock and bending vibration
power generation functions and the graded composition distribution wasclarified (see Fig.1). Future developments are expected.

JSPS Research Fellowshipfor Young Scientists

先端環境創成学専攻

後、圧縮衝撃・曲げ振動発電機能と傾斜組成分布との相関を解明しPiezoelectric Composites

Hiroki Kurita

JSPS 特別研究員 王 真金

Fig.4 Group photo of the marathon race

Coexistence Activity Report 202253