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パーコレーション解析~数値材料試験による複合材料設計~
2021年5月
近年では電子部品の消費電力の増大に伴い、放熱が問題になることが多くなっています。従来は金属などが使用されてきましたが、プラスチック(樹脂)は成形性が良いことなどから、ノートパソコン、携帯、LEDなど幅広く普及してきています。さらに、電子基板の絶縁層にも放熱性の向上を目的として利用されています。また、高電気伝導性の複合材料も二次電池や燃料電池の電子キャリアー材や触媒胆持体、電極材料、電磁波シールド材、面状発熱体など様々な分野で使用されています。
目次
- はじめに
- 解析の目的と概要解析手法
- 解析結果
- 使用ソフトウェア
パーコレーション
熱伝導率が低い樹脂に、熱伝導率が高いアルミナなどのフィラー(粒子や繊維)を充填させていくと、ある程度の充填率で熱伝導率が飛躍的に上昇することが知られています。また、絶縁体の樹脂に導電性の高いカーボンなどを充填していくと、同様にある程度の充填率で電気伝導率が飛躍的に上昇します。このように特性が変化する現象はパーコレーション(Percolation)と呼ばれています。パーコレーションのこのような特性は、図に示すように系内の物質がつながってクラスターと呼ばれる集団を形成し、熱や電気が通るパスを形成することで発現します。フィラーの充填率が高くなり、クラスターが系全体を連なることでより高い熱伝導性や電気伝導性が現れます。材料設計を行う上ではこのような特性を把握することが重要です。そこで本稿ではパーコレーションの解析事例をご紹介させていただきます。
充填率に対する熱伝導率の変化
熱伝導性が低い樹脂に、伝導率が高い粒子や繊維を充填させることで、熱伝導性の良い複合材料を作成することが可能です。しかし粒子や繊維の充填率を高くすると、成形性が悪くなりコストも増加します。そのため目的の材料物性値を達成するために充填率やフィラーの形状などを適切に選ぶ必要があります。そこで本解析は、パーコレーションの解析を実施し、フィラーの含有率による熱伝導率の変化の様子を把握することを目的とします。
