高分子アクチュエータの電気化学・力学挙動の計算モデリングに関する研究

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人工筋肉、またロボティクス、MEMSへの応用材料として、イオン導電性高分子・金属複合材料(IPMC)が関心を集めている。IPMCアクチュエータの代表例として、Nafion膜やFlemion膜の両面に白金板あるいは金板などを装着したIPMC材がよく使われている。このようなIPMCアクチュエータの動作に関する実験的、理論的研究が活発に行なわれているが、IPMC材の設計に有用な、高精度の計算ツールはいまだ存在しない。本研究では、高分子アクチュエータの動作に関するモデリングについて、汎用性の高い計算力学システム開発を目的とする。まず、NafionベースIPMC材の電気化学・力学的挙動のモデリングをより一般化するため、既に提案した一次元有限要素定式化を二次元定式化に拡張し、様々な電圧を印加した場合の有限要素解析結果をシミュレートした。さらに、FlemionベースIPMC材の一次元電気化学・力学的挙動に関する有限要素モデリングを行い、その結果から得られる固有ひずみを三次元有限要素解析プログラムに入力することにより、IPMC材の一般的な変形応答シミュレーションを行った。IPMC材の有限要素モデリングの定性的・定量的な有効性を検証するため、ワシントン大学知的材料システム研究センターの田谷らの実験結果や、電極の厚さや膜内での電極板の金属粒子の拡散層を考慮した、Nemat-Nasserらの実験結果およびOnishiらの実験結果などと解析結果を比較した。また、電場解析には汎用プログラムであるANSYS/Emagを、電気化学解析と力学解析には自前の有限要素解析プログラムを用いて、連成解析を実施した。さらに、前方運動と後方運動より成る逐次型の支配方程式を改良した、統合型の支配方程式の提案で、水和陽イオンの移動と自由水分子の拡散を同時に考慮できるようになり、実験結果により近い解析ができるようになった。