電気応答性流体の材料設計に関する研究

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エレクトロレオロジー(ER)流体は、電場印加に伴う大きな流動特性変化(ER効果)や電場に対する高速な応答性から電気・機械変換機能を有した新規の機械要素作動流体として現在盛んに研究開発が行われている。代表的なER流体として絶縁性オイルに固体微粒子を分散させた粒子分散系が挙げられ、そのER効果は電場により誘電分極した粒子の電気的な引力作用による鎖状構造の形成に起因するとされている。しかしながら、電場強度やせん断速度あるいは電場周波数といった種々の因子とER効果との関連性については不明確な点が多く、ER流体の材料設計は未だ確立されていないのが現状である。従来、分散粒子の粒径が大きい(ミクロンオーダー)ほど高いER効果を示すどとが報告されているが、粒子の沈降などが生じ、系の安定性に対する問題点が指摘されている。そこで本研究では、金属アルコキシド重合法を用いてサブミクロンオーダーのシリカ粒子を合成し、ER効果の粒径依存性に関する検討を行った。その結果、サブミクロンオーダーを対象としたシリカ粒子分散系においてミクロンオーダーの粒子分散系に匹敵する高いER効果が現れることがわかった。また、光学顕微鏡実験により電場印加に伴う粒子鎖状構造の形成も確認した。さらに、電場が高いほどかつ粒径が小さいほど大きな履歴挙動が現れることも観測された。通常、分散系のレオロジー特性において高せん断場での構造破壊のため、せん断減少時の方が低いせん断応力を発生することが予想されるが、本系はせん断増加時より減少時の方が高いせん断応力を発生する流動特性を示した。この履歴挙動について検討したところ、せん断速度下での電場印加がこれに大きく影響することがわかった。また、粒子表面構造との関係を明確にするため、粒子表面の吸着水量や電解質添加量との関係も測定した。