成果報告書詳細
管理番号20160000000565
タイトル平成26年度ー平成27年度成果報告書 エネルギー・環境新技術先導プログラム 革新的機能性絶縁材料の先導研究
公開日2016/7/7
報告書年度2014 - 2015
委託先名学校法人早稲田大学 国立大学法人名古屋大学 国立大学法人九州工業大学 国立大学法人豊橋技術科学大学 ナガセケムテックス株式会社 富士電機株式会社 一般財団法人電力中央研究所
プロジェクト番号P14004
部署名イノベーション推進部
和文要約【A-1】 高分子樹脂へのナノフィラーおよびマイクロフィラーの均一分散技術の開発
ジメチルジクロロシラン(DDS)処理されたフュームドシリカがエポキシ樹脂へのナノ分散に有利であり、0.1mmのビーズを用いるビーズミルで分散をシングルピークにできることが分った。また、湿式超高圧分散機(キャビテーションミル)の使用により、吐出圧を200MPa以上かければ1回の処理で、フュームドアルミナを無溶剤で数十nmまでエポキシ樹脂に分散させることが可能な装置を探索したところ、分散させられることが判明した。一方、樹脂との親和性の良否と攪拌速度(剪断速度)をパラメータとした分子動力学計算を実施し、フィラー均一分散の為には分散処理中の粘度の剪断速度依存性を基に最適な分散条件を見出すことが有効であることが分った。
【A-2】 高分子樹脂とフィラーの選択、両者のベストな組み合わせの決定
 多くのナノ・マイクロコンポジット(NMC)のうちで、BNマイクロフィラー添加NMCが高温域において最も低い誘電率を示し、シリカナノフィラーはMgOマイクロフィラーの添加により増大した誘電率を顕著に低下させる。さらに、全てのマイクロコンポジットにおいて、シリカナノフィラーの共添加により電気絶縁性が向上する。MgOマイクロフィラー添加NMCにのみシリカナノフィラーおよびMgOフィラーとエポキシ樹脂間の相互作用に由来すると思われるTHz吸収の増大が確認できる。
【A-3】 熱伝導性と絶縁性の飛躍的な向上を目指すフィラー高充填方法の確立
 多種のナノマイクロコンポジット材料を評価し、1μm窒化アルミマイクロフィラー(40wt%)とシリカナノフィラー50nm(3wt%)試料)で、ベース・エポキシに比べ、熱伝導率が2.5倍の0.6W/(m・K)、耐電界性は4倍の強さを得た。ナノフィラー分散方法として斬新な高せん断力方式を採用した。
【A-4】 電気絶縁特性の飛躍的な向上を目指すナノコンポジットの創製
 フィラー添加によって空間電荷侵入量は増加するが、短時間耐電圧性および長期耐電圧性はナノコンポジットによって向上する。ナノコンポジット化によるSF6ガス中インパルス沿面耐電圧性の特性向上の可能性を世界で初めて見出した。気相法窒化ホウ素粒子は高熱伝導性・電気絶縁性フィラーとして非常に有望である。
【B-1】作製したFGMの誘電率分布予測技術の開発
 エポキシ樹脂に高誘電率・小粒径粒子と低誘電率・大粒径粒子の空間密度分布を形成する誘電率傾斜FGMについて、遠心力方向の誘電率分布を予測するシミュレーションプログラムを開発した。粒子に働く遠心力、浮力、粘性力の釣り合い運動方程式を解くことにより、試料内の誘電率分布の予測を可能とし、遠心力法によるFGM作製技術を検証した。
【B-2】 FGMの作製技術の確立
 遠心力法よりも実用的な誘電率傾斜FGMの作製技術に向けて、3Dプリンタ法および可変配合注型法を提案し、その基礎的検討を行うとともに技術的課題をまとめた。さらに、エポキシ樹脂表面に局所的な導電率分布を形成する導電率傾斜FGMの作製技術として、ディップコート法による多層コーティングを提案した。
【B-3】 FGMの誘電率分布による電界分布の制御・緩和効果の解明
 ディスク型とコーン型のGIS用絶縁スペーサ、C-GIS用の3相一括型のスペーサについてFGMを適用したときの誘電率分布をパラメーターとした電界解析を行い、GISの小型化が達成可能な目標スペックを算出し、ε/σ-複合FGMにおける電界緩和効果を確認した。
英文要約 Title:Advanced Research Program for Energy and Environmental Technologies/ Leading research for the development of innovative functional insulating materials (FY2014-FY2015) Final Report

 (A-1)
 Treatment of silica by dimethyldichlorosilane is advantageous to nano-dispersion and a bead-mill using proper beads can disperse fumed silica to a single peak. A wet process dispersion machine, Cavitation Mill, can disperse fumed alumina in epoxy resin without using any solvent to several tens of nano-meters by only one treatment. Molecular dynamics calculations have revealed that the most suitable dispersion condition to attain a uniform dispersion should be found based on the shear rate-dependence of viscosity during the dispersion process.
 (A-2)
 Epoxy-resin-based nanomicro-composites were made by adding selected kinds of inorganic microfillers and silica nanofillers, and their dielectric properties were measured at high temperature. Of all the nanomicro-composites, the permittivity becomes the lowest when boron nitride was added as microfillers. The addition of magnesia microfillers increases the permittivity to a relatively high value, while this increase is well suppressed by the co-addition of silica nanofillers. The co-addition of silica nanofillers also improves the electrically insulating properties of other microcomposites.
 (A-3)
 It has been confirmed that the optimum epoxy/nano-micro AlN composite with 40 wt% micro AIN fillers of 1 μmφ and 3 wt% nano silica fillers of 50 nmφ exhibits 2.5 times (0.6 W/(mK)) the thermal conductivity and 4 times the voltage endurance of the base epoxy resin. Mixing of nano-fillers was done by a novel technique, in which high shear forces act on nano-filler agglomerates.
 (A-4)
 We have succeeded in improving the impulse surface breakdown voltage in SF6 by adding nanofillers. Boron nitride particles processed in a gas phase have the potential as a novel thermally high conductive and electrically insulating filler.
 (B-1)
 A numerical simulation program to predict the permittivity distribution of FGM using a centrifugal method was developed, where the density distribution of small fillers with high permittivity and large fillers with low permittivity was graded in epoxy resin along the centrifugal force. By solving the balance equations among the centrifugal, buoyancy, and drag forces on filler in epoxy resin, the permittivity distribution of a fabricated FGM sample was reproduced and the fabrication method of FGM using the centrifugal method was verified.
 (B-2)
 Toward the practical fabrication of permittivity-graded FGM, novel methods using a 3D printer or by flexible mixture casting were proposed, and their technical problems were discussed. In addition, toward the fabrication of conductivity-graded FGM, multi-layer coating using dip coating was proposed.
 (B-3)
Through electric field analyses carried out for two shapes of GIS insulation spacers and a spacer for C-GIS of an enclosure type with three phases inside, target specifications of FGM for GIS miniaturization and the electric field reduction effect of ε/σ compounded FGM were confirmed.
ダウンロード成果報告書データベース(ユーザ登録必須)から、ダウンロードしてください。

▲トップに戻る