助成研究成果報告書Vol.34

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-- ''xy'''''''xy 2336123⽐0.3 zxyzz zx yzzD1DDEEEdddddddddddddddddd表1 解析に使用した物性値． 001 ・・・（2） ここで，は各軸の垂直応力，は各面におけるせん断応力であり，左辺は変換後の垂直応力およびせん断応力である．なお，回転角度・は下記で与えられる． ここで，x，yは各節点におけるx，y座標である．この座標変換後の各応力とd定数の行列から出力電気変位Doutが導かれる．このとき，座標変換後のy軸が分極軸となる為，d定数行列を修正し計算を行った． また，本複合材料は円筒コンデンサと同構造をしており，中心部からの距離に反比例し電界が弱くなることから，圧電ファイバ外周部においては分極処理が充分ではなく，d定数が圧電ファイバ中心部と比較し減少していることが予想される．このため，d定数が分極時の電界分布に比例すると仮定し，補正を行った．得られた電気変位Doutと誘電率を用いることにより出力電圧を求めた． 2・2 実験による塑性加工プロセスモニタリング 圧電セラミックスファイバとして 0.05 mmの白金線をコアとした圧電ファイバ（0.2 mm．産総研製），マトリックス材として厚さ1.5 mmの純アルミニウム板（A1050P-O），インサート材として厚さ0.01 mmの純銅箔（純度99.90%以上）を用いてPiezo/Alを作製した．ダイおよびパンチはSKD11を用い，解析と同様の形状としている．SPCCに関しては，50 mm×10 mm×2.0 mmにシャーリングによって切り出したものを試験片とした．実験時のハンドリング向上のためFEM解析のものより試験片長さを向上させている． 厚さ1.5 mmのアルミニウム板を2枚と厚さ0.01 mmの銅箔を長さ20 mm，幅30 mmに切断し，酸化被膜除去のため#600の耐水研摩紙により研摩し，アセトンにより脱脂した．続いて，アルミニウム板に銅箔を重ね，これに 0.25 mmのSUS304ばね用ステンレス鋼線を油圧プレス装置により圧力98 MPa，保持時間0.18 ksで押し付けることで繊維配列用のU溝列を形成させた．形成したU溝内に繊維を配列後，同形状のアルミニウム板を重ねてホットプレス行った．ホットプレス条件は温度873 K，圧力2.2 MPa，保持時間2.4 ks，真空度0.1 kPaとした．その後，銅箔とコアを導電性ペーストにより導通させ，エポキシ樹脂を用いて電極部を保護した．電極とマトリックス間に300 V，1.8 ksの電圧を印加することで圧電セラミックスの分極処理を行った後，作製した試料をダイヤモンドホイールソーにて5 mm×5 mmに切り出し，解析モデルと同様の位置にシアンアクリレート系接着剤を用いて接着した．なお，取り付け角度は先述のFEMによる検討結果から0°とした．Piezo/Alを取り付けたダイ，パンチおよびSPCC試験片をテンシロン型試験機に設置し，クロスヘッド速度5.1 mm/sで試験を行った．この際，Piezo/Alから出力される電圧T1T2TT4T5T13112333001xyxyyzzxxyzxxyyz111213142122232431323334/GPa210SKD11SPCC210アルミニウム690.34PZT601680.38圧電材料からの出力電圧を得るためには圧電方程式を解く必要がある．しかしながら，この圧電方程式に存在する圧電定数は物性値であり，通常z軸方向に分極されていることが前提となっている．このため，放射状電極構造を持つPiezo/Alは通常の圧電方程式を適用することができない．このため先行研究で有用性が確認された座標変換および分極状態を補正する手法6）を用いて出力電圧を算出する．出力電圧異方性は，本複合材料における圧電材料の分極方向が放射状のため，外力により生じた応力に対し分極方向が一定の角度を取らないこと，つまりファイバの各位置において圧電定数であるd33およびd31の影響が異なることが原因であり，ローカル座標原点をファイバ露出面における圧電ファイバ中心に設定し，z軸が圧電ファイバ中心軸に一致するように設定する．V曲げプロセス中の圧電ファイバに生じる応力を求め，その応力を基に圧電方程式（式（1））より出力電圧を算出する． なお，機械的パラメータである応力Tと電気的パラメータである電気変位Dおよび電界Eが圧電効果により結びついている．ここで，電気変位Dおよび電界Eはベクトルであるので，3次元空間において，3成分を持つ．また，応力Tは対称テンソルであるので，独立の6成分を持つ．これらの電気変位をD1，D2，D3，電界をE1，E2，E3，応力のうちx，y，z方向の垂直応力T1，T2，T3，せん断応力をT4，T5，T6とする．なお，d31は-275 pC/N，d33は593 pC/Nおよびd15は731 pC/Nの値を用いた． ・・・（１） ここで，圧電ファイバに生じる応力はモデル作成時の座標で出力されるが，本複合材料においては既述の通り分極軸が放射状になっているため，座標変換を行う必要がある．解析モデルにおいて，圧電ファイバ中心軸とz軸が一致する為，座標変換は式（2）に示すz軸周りの回転で表される． 0.30.3圧電ファイバ1516122526222135363231cossin0sincos0cossin0sincos0材料ヤング率ポアソン⽩⾦その他使⽤部位パンチ，ダイ被加⼯材降伏応⼒: 290 MPa加⼯硬化指数: 0.219⺟材圧電定数, d31:-275, d33: 593, d15: 731 pc/N誘電率: 2400-コア− 220 −