Multiscale analysis of nanocomposite insulation materials and clarification of mechanism of insulation enhancement

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本研究は、ナノコンポジット絶縁材料の特性を、近年発展が目覚ましい有機半導体の知見と技術を使って解析することが目的である。2022年度は、低密度ポリエチレン（LDPE）にフィラーを入れた場合のマクロスケールのシミュレーションを構築するために、酸化鉄(III)（Fe2O3）フィラーを添加したLDPEを用いて実験を行い、データを収集した。フィラー添加による物性値の変化を調べるために、無添加のLDPEを基準として、0.05%から0.25%のフィラー濃度を上げたサンプルを用意して、高電圧印加時の電流値と試料内部の空間電荷を測定した。Fe2O3フィラーの濃度が上昇すると空間電荷の蓄積が抑制され、電流値は上昇した。これらの変化をシミュレーションで再現するために、各条件でのパラメーターの移り変わりを調べた。しかしながら、電流を上昇させるパラメーターは複数あるため、複数の可能性が残る結果となっている。これらを解決するために、2023年度は別のフィラーでも実験を行い、どのパラメーターが最も効いているかを調査する。また更に、現象論的なマクロスケールなシミュレーションだけではなく、電子の輸送を考えたモンテカルロシミュレーションも行った。今年度は、Miller-Abraham型のホッピングレートに基づくモンテカルロシミュレーションを開発し、フィラーが入っていないLDPEの高電界下での絶縁材料の移動度を検討した。シミュレーションは、高電界領域において移動度が下がる傾向を示したが、実験結果の方がより移動度が小さくなるため、現在の仮定しているシミュレーション条件だけでは十分ではなく、絶縁材料により適したモデルを構築する必要がある。上記の空間電荷シミュレーションとは別に、圧力波を用いた空間電荷計測の精度向上のために、圧力波の伝搬シミュレーションも開発した。