東北大学と大阪工業大学(大工大)の両者は12月19日、一方向に配向させた炭素繊維強化プラスチック(CFRP)の伸縮異方性を利用し、モーションセンシング機能を備えた高強度で柔らかい新しい圧電複合材料(以下「新材料」)の開発に成功したことを共同で発表した。

  • 今回作製された材料(一方向炭素繊維強化圧電複合材料)

    今回作製された材料(一方向炭素繊維強化圧電複合材料)(出所:東北大プレスリリースPDF)

同成果は、東北大大学院 環境科学研究科の余瑶楠大学院生、同・成田史生教授(東北大 工学部 材料科学総合学科 兼任)、大工大 工学部 機械工学科の上辻靖智教授らの共同研究チームによるもの。詳細は、ナノ/マイクロスケールのサイエンスに関する学際的な分野を扱う学術誌「small」に掲載された。

CFRPは、プラスチックの軽量さや高い成型自由度と、炭素繊維の高剛性・高強度を併せ持つ優れた素材だ。そして圧電プラスチックは、力を電気に変換できることから、振動発電や、バッテリー不要の人体モーションセンシングシステム向けとして期待されている。しかし、圧電プラスチックは一般に機械的強度が低いことが課題だった。そこで研究チームは今回、一方向に配向させたCFRPの伸縮異方性を利用し、モーションセンシングに利用可能な、高強度かつ柔軟な新材料の開発を試みたという。

新材料は、ニオブ酸カリウムナトリウム(KNN)の圧電ナノ粒子を、プラスチック(エポキシ樹脂)に分散させた2枚の圧電ナノコンポジットシート界面に炭素繊維を一方向に配向させ、その後に2枚を接合して一体化させることで開発された。この時CFRPは、補強材および電極として機能させているといい、これにより圧電性を損なわず繊維方向に優れた縦弾性係数および引張強度が得られ、繊維に垂直方向にはよく伸びてセンサ性能が向上したとする。

また、実験結果を正確に再現できる「マルチスケール・マルチフィジックス(MSMF)有限要素モデル」も開発され、プラスチック内にKNNが均一分散している様子が明らかにされた。それにより予測された圧電ナノコンポジットの電気力学特性から、圧電CFRPユニットセルの異方性電気力学特性が求められた。また、得られた値を3層サンドイッチ構造に適用し、新材料の応力状態や変形挙動、出力電圧が予測された。研究チームはこれにより、実験結果の妥当性が理論モデル解析からも確認され、圧電複合材料に関するさらなる研究のための基盤が築かれたとする。

また新材料の引張特性に関して、有限要素解析結果と実験結果の比較が行われた。すると、配向させた繊維方向(x方向)には縦弾性係数が大きく(＝伸びにくい)、繊維に垂直な方向(y方向)には縦弾性係数が小さくなっており(＝伸びやすい)、実験結果と解析結果がよく一致していることが確認されたとのこと。また、新材料の繊維方向(x方向)と繊維に垂直な方向(y方向)に50N(ニュートン)の荷重を繰り返し負荷した場合の出力電圧も調べたところ、伸びやすい(柔らかい)方向の出力電圧は、強度が高い繊維方向に比べ20倍以上だったとしている。

  • 今回の材料のMSMF有限要素モデル

    今回の材料のMSMF有限要素モデル。(a)30vol(体積)%KNN-エポキシのサブミクロ構造モデルとメッシュ。(b)炭素繊維強化KNN-エポキシのミクロ構造モデルとメッシュ。(c)3層サンドイッチ構造炭素繊維強化圧電複合材料のマクロ構造モデル。iとiiは、それぞれx軸、y軸の境界条件。(d)引張特性のシミュレーション・実験結果。(e)出力電圧のシミュレーション・実験結果(出所:東北大プレスリリースPDF)

新材料は、スポーツ用品や身体の一部に取り付けることで、動きを検出できるようになるという。その検証として今回、野球グローブに新材料を搭載し、繊維方向と指の方向を一致させて柔軟性を確保した結果、ボールをキャッチングしたときに約2Vの電圧が出力された。なおキャッチングのタイミングは、信号の振幅スペクトログラムを使用して正確に決定することが可能だ。

また、歩行をセンシングするため、複合材料を右靴に取り付けた実験も行われた。新材料は、右足がステップする時に電圧を出力するが、左足のステップも区別できるという。センサは右足の靴にしか取り付けられていないものの、左足を踏み出す際に人体の重心が右足に移動し、外力が変化して電圧を出力するからだ。研究チームはこれにより、1つのセンサで両足の動きを感知することが可能なことも確認された。振幅スペクトログラムは、強弱の間隔を持つ高周波信号を示しており、その背景には、繊維配向をつま先の方向に対して垂直に設計した結果、柔軟性が確保され、歩行中に新材料が圧力の高い領域(前足部)で大きく曲がることがあるとする。

さらに、歩き始めると約3Vの電圧が出力されるといい、高速フーリエ変換スペクトル分析により、被験者のステップ周波数は0.76Hzであることが判明した。振幅スペクトログラムから、左右の脚の歩行パターンのタイミングも確認できるといい、新材料は出力が安定しており、人々はもちろんロボットや移動体のモーション検出を必要とするさまざまな用途や産業での利用が期待されるとのことだ。

  • (a)今回の材料の応用。(b)ボールのキャッチで出力される電圧。(c)ステップで出力される電圧。(d)左足と右足の電圧変化。(e)歩行モニタリング中に出力される電圧。(f)FFTスペクトル解析結果

    (a)今回の材料の応用。(b)ボールのキャッチで出力される電圧。(c)ステップで出力される電圧。(d)左足と右足の電圧変化。(e)歩行モニタリング中に出力される電圧。(f)FFTスペクトル解析結果(出所:東北大プレスリリースPDF)

今回開発された新材料を活用すれば、炭素繊維の量・方向を変更することで、さまざまな製品に提供できる圧電センサが開発可能だという。研究チームは今後、均質化理論を利用したMSMF数値シミュレーションでセンサの最適設計を行い、実用化に向けて試作、評価を行っていくとともに、新材料でセンシングされた情報をワイヤレス送信する研究も進めていくとしている。