報告書番号

GD21029

タイトル（和文）

レーザ誘起ブレイクダウン分光法を用いたコンポジット絶縁材料中のナノフィラー分布評価法の開発　－実規模試料に適用可能な評価法の提案－

タイトル（英文）

Development of evaluation method for the nanofiller distribution in polymer composite dielectrics using laser-induced breakdown spectroscopy - Proposal of an evaluation method applicable to full-scale samples -

概要 （図表や脚注は「報告書全文」に掲載しております）

背　　景
　樹脂中にナノフィラーを添加したナノコンポジット絶縁材料は，絶縁性能を含む各種機能性が向上・発現することから，超高圧直流CVケーブルにおいて実用化され，現在も様々な電力機器への適用が進められている。ナノコンポジット絶縁材料の機能性発現には，材料中のナノフィラーが均一に分布している点が重要であり，走査電子顕微鏡 (SEM) による観察が多用されてきた。SEMによる評価は，材料中の局所的なナノフィラーの分布と分散を把握できるが，各種前処理が必要となることから，バルク試料の全体を対象とすることは困難である。そのため，SEMによる評価法と互いに補完し合うことのできる，バルク試料全体を対象とした評価法が求められている。

目　　的
　製品サイズを想定したナノコンポジット絶縁材料にも適用可能なナノフィラー分布評価法を提案するとともに，その評価手法のバルク試料への適用性を確認する。

主な成果
1.ナノフィラー分布評価法の提案
　ナノフィラー分布評価法を検討する上で，表面や微小部に対する各種分析法を比較した。既存の評価法 (SEMやTEMなど) は，平面分解能の高さによりナノフィラーを粒子レベルで識別することで，局所的な分布と分散を評価する手法と整理できる。これに対し，バルク試料全体を評価する手法として，一定体積中に含まれるナノフィラー粒子の総量を濃度として捉え，分布評価を行う新たな手法を提案した。この新手法では，分布評価を行った対象空間の精度と計測可能性の点から，レーザ誘起ブレイクダウン分光法 (LIBS) が最適であることを見出した。

2. LIBSのナノフィラー分布評価法としての適用性の確認
　本試験に供するバルク試料へLIBSを適用したところ，含有率1 vol%のAl2O3ナノフィラー中のAl由来ピークが確認され，十分な検出感度をもつことを確認した。また，測定ごとのピーク強度の変動が大きいことから，評価指標としてAlとTiに由来するピークの強度比であるAl/Ti比に着目した。このAl/Ti比について，測定箇所ごとの平均値と，全測定データの平均値との偏差を比較し，Al2O3ナノフィラーの分布のばらつきを推定した。その結果，Al/Ti比の平均値のばらつきはわずかであり，ナノフィラーの推定含有率は0.96~1.04 vol%と見積もられた。この結果より，バルク試料中のナノフィラーの空間分布は，試料内で均一であることを推定した。
　以上より，新たなナノフィラー分布評価法としてLIBSを用いる手法を提案し，製品サイズの試料でも迅速かつ前処理なく評価が可能であることを明らかとした。

概要 （英文）

Polymer nanocomposite dielectrics, in which nanofillers are added to the resin, are being applied to various electric power equipment because of their improved insulation performance and other functionalities. The uniform distribution of nanofillers in the polymer nanocomposite is important to achieve the high functionality. To evaluate the distribution of nanofillers, scanning electron microscopy (SEM) has been widely used. However, the evaluation results of nanofiller distribution by SEM images do not necessarily represent the distribution trend of the entire bulk sample. Therefore, a new nanofiller evaluation method has been proposed for the evaluation of the entire bulk sample, and its applicability as an evaluation method is confirmed using polymer nanocomposite dielectric sample. Conventional methods for evaluating the distribution of nanofillers have applied analytical methods with high spatial resolution and to evaluate the distribution of individual filler particles by using images. The proposed method is to evaluate the total amount of nanofiller particles contained in a fixed volume as the concentration. LIBS is expected to be an analytical method for estimating the concentration of nanofiller particles as peak intensity. LIBS was applied to nanocomposite materials containing alumina nanoparticles and was found to have sufficient detection sensitivity. The deviation of the peak intensity ratio was used to estimate the variation of the nanofiller distribution, and it was estimated that the variation of the nanofiller distribution in the bulk sample was small and uniform.

報告者

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