異方性体の特異な力学効果を利用したFRP圧電素子

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単斜異方性体として特徴づけられる"off-axis"一方向繊維強化ラミナ(UDラミナ)の特異な力学効果"nomal-shear coupling"を利用した新規の圧電材料として、厚さ方向の印加電界(E_3)によって捩振れ変形するモノモルフ圧電素子を考案し、PZT(Pb(Zr, Ti)O_3)微粒子を分散させたエポキシ樹脂とガラス繊維のハイブリッド複合系を設計対象として、その実現可能性を具体的に検討した。この圧電捩れ素子は、方位角+θと-θのUDラミナによる反対称斜交積層ラミネートであり、その単位電界あたりの捩れ曲率κ/E_3は(d_<31>、-d_<32>)sin2θに比例する。つまり、UDラミナの圧電横効果を表す定数d_<31>(x_1軸//繊維軸方向)とd_<32>が、繊維強化によって|d_<31>|<|d_<32>|なり、この面内異方性が捩れ変形の支配因子となる。本研究では、微視力学解析による一連の計算を行って、UDラミナの基本物性(弾性率、誘電率、圧電d定数)に及ぼすPZT粒子およびガラス繊維の体積含有率の影響を定量的に調べ、供試体成形作業の難易度も考慮して、PZTとエポキシの配合比(体積比)は約50:50、ガラス繊維の体積率は10〜20%に設定した。PZT粉末(粒径0.5〜1μm)とエポキシ樹脂の撹拌脱泡スラリーを開繊処理したガラス繊維束中に含浸させ、80℃で加圧成形して、厚さ250〜350μmのUDラミナを作製した。これにAuPd電極を蒸着し、80℃のシリコンオイル中で約40MV/mの電界を印加して分極処理を施した。これを供試体とし、Reolograph-Solid・(東洋精機(株)製)を用いて繊維軸に平行および垂直方向の圧電ひずみ定数(d_<31>、d_<32>)とヤング率(E_L、E_T)および厚さ方向の誘電率を25〜80℃の温度域で測定し、繊維強化による面内圧電異方性の発現を確認すると共に、その温度依存性も明らかにした。さらに、2枚のUDラミナを±45°に反対称積層したラミネートについて、室温にて厚さ方向の印加電圧(AC50V)による捩れ応答を検出した。