HIRAI, Naoshi

写真a

Affiliation

Faculty of Science and Engineering, Kagami Memorial Research Institute for Materials Science and Technology

Job title

Senior Researcher(Professor)

Concurrent Post 【 display / non-display

  • Faculty of Science and Engineering   Graduate School of Advanced Science and Engineering

Education 【 display / non-display

  •  
    -
    1998

    Ehime University   Graduate School, Division of Engineering  

  •  
    -
    1994

    Konan University   Faculty of Science  

Degree 【 display / non-display

  • (BLANK)

  • 甲南大学   修士(理学)

  • (BLANK)

  • 愛媛大学   博士(工学)

Professional Memberships 【 display / non-display

  •  
     
     

    放電学会

  •  
     
     

    電気学会

 

Research Areas 【 display / non-display

  • Electric and electronic materials

Research Interests 【 display / non-display

  • Electronics and Electric Material

Papers 【 display / non-display

  • Successful detection of insulation degradation in cables by frequency domain reflectometry

    Yoshimichi Ohki, Naoshi Hirai

    Minerals, Metals and Materials Series   11   77 - 85  2018

     View Summary

    We have succeeded in detecting the degradation of cable’s polymeric insulation well before its continual use becomes risky. Degradation of organic polymers is mainly caused by oxidation if the ambience around the cable contains oxygen. When organic polymers are oxidized, polar carbonyl groups are formed, by which the permittivity is increased. This in turn decreases the characteristic impedance of a polymer-insulated cable. If we inject electromagnetic waves in a very wide frequency range into the cable and measure the ratio of reflected power to injected power, the information on the effects of the characteristic impedance changes is included in the frequency spectra of the ratio. If we do inverse Fourier transform, we can convert the data to a time domain. Therefore, we can know the degraded portion by multiplying the velocity of electromagnetic waves in the cable.

    DOI

  • Degradation of silicone rubber analyzed by instrumental analyses and dielectric spectroscopy

    Yoshimichi Ohki, Naoshi Hirai, Daomin Min, Liuqing Yang, Shengtao Li

    Minerals, Metals and Materials Series   11   107 - 116  2018

     View Summary

    Silicone rubber (SiR) was gamma irradiated at 125, 145 and 185 °C or thermally aged at 220, 250 and 280 °C and the resultant changes in performance were evaluated. It has become clear from instrumental analyses that crosslinking via oxidation of silicon atoms and chain scission are induced by gamma rays. Furthermore, from the temperature dependence of real relative permittivity at high frequencies, the thermal expansion coefficient was found to become smaller with the increase in dose. These results can be understood well by the chemical and structural changes in SiR induced by the degradation.

    DOI

  • Identification of antioxidants in polymeric insulating materials by terahertz absorption spectroscopy

    Takuya Kozai, Takuya Kaneko, Naoshi Hirai, Yoshimichi Ohki

    Polymer Degradation and Stability   147   284 - 290  2018.01

     View Summary

    For the purpose of using organic polymeric materials for electrical insulation, various additives such as antioxidants are added to prevent degradation or oxidative decomposition of the polymers. Therefore, it is desirable that we can identify antioxidants added in polymers by instrument analyses. In this research, terahertz absorption spectroscopy was conducted for nine kinds of antioxidants. The spectroscopy was also conducted for sheets of low-density polyethylene, to which each antioxidant had been added with different contents. As a result, it has become clear that each antioxidant has its own specific spectrum. In addition, for most antioxidants, the absorption intensity is proportional to the content of antioxidant added in LDPE. However, several absorption peaks change their spectral shapes when the antioxidant is in LDPE.

    DOI

  • Effects of addition of MgO fillers with various sizes and co-addition of nano-sized SiO2 fillers on the dielectric properties of epoxy resin

    Ryosuke Yanashima, Naoshi Hirai, Yoshimichi Ohki

    Proceedings of the International Symposium on Electrical Insulating Materials   2   650 - 653  2017.12

     View Summary

    Complex permittivity (ϵr' and ϵr"), conductivity (σ), and glass transition temperature (Tg) were measured for composites of epoxy resin and MgO fillers with various sizes in a wide temperature and frequency range. The effect of coaddition of nano-sized SiO2 was also examined. It has become clean that Tg decreases by the addition of MgO fillers, and its decrement becomes more with a decrease in filler size. Moreover, Tg decreases if the silica nanofillers are co-added. However, all the three important parameters for electrical insulation ability of polymers, namely ϵr', ϵr", and σ, decrease with the decrease in size of MgO fillers or by the addition of silica nanofillers at high temperatures and low frequencies. This is a very astonishing result, since it seems reasonable that a polymer with a high Tg should have a better insulating ability. Probably, the above-mentioned results indicate that the charge transport becomes more difficult, presumably resulting from the suppression of molecular motion with the decrease in size of MgO fillers and by the co-addition of SiO2 nanofillers. This indicates that the suppression of molecular motion becomes very strong if the filler size is small, making the carrier transport difficult even in polymers with low Tg.

    DOI

  • Terahertz absorption spectroscopy of poly(ether ether ketone)

    Takuya Kaneko, Naoshi Hirai, Yoshimichi Ohki

    Proceedings of the International Symposium on Electrical Insulating Materials   2   539 - 542  2017.12

     View Summary

    The crystallinity of sheets of poly(ether ether ketone) (PEEK) was changed by thermal treatments conducted at 295 oC for various periods and their terahertz (THz) and Fouriertransform infrared absorption (FT-IR) spectra were obtained. As a result, it has been confirmed that an absorption peak appears at around 3.5 THz in the sheet samples that exhibit clear X-ray diffraction patterns at 20= 18.8, 20.8, 22.8, and 28.8o. In contrast, no obvious sample-dependent changes were observed in FT-IR spectra. The absorption at around 3.5 THz shows a shift in frequency to a degree proportional to the crystallinity. Its maximum intensity is also in proportion to the crystallinity. These results indicate that the absorption at 3.62 THz has a close relation with the crystallinity of PEEK This in turn means that the THz absorption spectroscopy can be used for estimating the crystallinity of PEEK.

    DOI

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Industrial Property Rights 【 display / non-display

  • 絶縁電線又はケーブルの歪み量変化箇所の位置標定方法

    大木 義路, 平井 直志

    Patent

  • 絶縁電線又はケーブルの温度変化箇所の位置標定方法

    5763594

    大木 義路, 平井 直志, 山田 貴之

    Patent

  • 電気絶縁材料及びそれを用いた絶縁電線、通信用ケーブル、電気部品

    大木 義路, 平井 直志

    Patent

Awards 【 display / non-display

  • 電気学会優秀論文発表賞

    2000  

  • 電気学会優秀論文発表賞

    1993  

Research Projects 【 display / non-display

  • Dielectric Properties and Insulation Diagnosis of Polymers by Ultra-wideband Dielectric and Absorption Spectroscopy

    Project Year :

    2012
    -
    2013
     

     View Summary

    The objective of this research is the understanding of dielectric properties of polymer films through measurements of permittivity and absorption spectra in an ultrawide-band frequency range.
    In FY 2012, permittivity spectra were obtained for seven kinds of polymers by the free-space method at GHz frequencies for the purpose of getting useful information on the future ultrafast wideband communication system. The essentials of this research were submitted as a refereed paper. In FY 2013, absorption spectra induced in cross-linked polyethylene by gamma-ray assisted oxidation were analyzed experimentally and numerically using quantum chemical calculations. As a result, it can be clarified that the absorption is due to resonance vibrations induced by the phenomenon that optically inactive lattice vibrations become active through oxidation-induced structural changes. In addition, possibilities of detecting the degradation of ethylene-propylene rubber by THz imaging were also examined.

  • Development of High Performance Insulating Materials Using Polymer Nanocomposites with Inorganic Fillers

    Project Year :

    2011
    -
    2013
     

     View Summary

    We have demonstrated that the resistance against electrochemical migration of epoxy resin used as a printed wiring board can be improved by adding a small amount of silica nanofillers. Three patents were submitted based on this result. Next, iron nanoparticles were filled into epoxy resin, which resulted in the development of insulating materials with low eddy-current loss, high permittivity, and high permeability.
    Complex electric modulus is the inverse of complex permittivity. Relaxation phenomena due to charge transport in polymer, which are dominant in a low frequency range, become evident by showing frequency-dependent electric modulus spectra. We have done this analysis for various polymers, and the results were summarized in papers, which are now under review. Time-domain spectroscopic measurements at THz frequencies were also done for several polymers, and the results were analyzed by quantum chemical calculations.

  • Evaluation of Oxidation for Biodegradable Polymers by the Measurement of Chemiluminescence

    Project Year :

    2011
    -
    2013
     

     View Summary

    Since the chemiluminescence (CL) behavior in biodegradable polymers, which have carbonyl group in its structure, indicates a similar behavior of polyethylene (PE), it is thought that the carbonyl group consisted in the polymer structure exhibits no CL. While a silane coupling agent or a thiobis-based antioxidant, which is added in low density PE, exhibits no proper CL, a sulfur-based antioxidant, a halogen-based antioxidant, a metal hydroxide, an antirad, or an ion-trapping agent, which is added in ethylene propylene rubber (EPR), exhibits CL. The CL behavior in EPR is different to the one of LDPE or biodegradable polymers because of flame retarder added in EPR. Therefore, CL measurement is a good tool to evaluate the resistivity against oxidation of polymers.

  • Dominant factors influencing dielectric properties in several biodegradable polymers

    Project Year :

    2008
    -
    2010
     

     View Summary

    For typical biodegradable polymers, namely, polyethylene terephthalate succinate, polybutylene succinate, polycaprolactone, polybutylene succinate adipate, polybutylene adipate terephthalate, starch ester, and poly-L-lactic acid, effects of the crystal structure on their dielectric properties were examined by conducting advanced measurements such as photoluminescence using synchrotron radiation, terahertz time domain spectroscopy, and numerical calculations using density functional theory. As a result, much knowledge was obtained on the dominant factors influencing the dielectric properties of biodegradable polymers. This will greatly contribute to the development of eco-friendly dielectric materials.

  • テラヘルツ分光によるポリマーナノコンポジットの優れた誘電特性出現機構の解明

    萌芽研究

    Project Year :

    2007
    -
    2008
     

     View Summary

    ポリマーナノコンポジットの優れた誘電・絶縁特性はポリマーマトリクスとナノフィラーとの界面にあると考えられている。そこで、我々は分子の振動、あるいは分子間相互作用の解析に用いられているテラヘルツ領域に注目し、ポリマーナノコンポジットの良好な物性の発現機構を解明する一助として、ポリアミドナノコンポジットに対してテラヘルツ時間領域分光(THz-TDS)測定を行った。
    2THzと3THz付近において初めて誘電分散を観測した。2THz付近の誘電分散について、その誘電損率がポリアミドのアルファ型結晶に起因するX線回折強度と正に相関し、THz電界と試料延伸方向が平行であるとき最大となることから、この分散がアルファ型結晶内の分子鎖と平行方向の分子振動に由来すると推測した。また、3THz付近に誘電損率ピークを持つ誘電分散は、THz電界と試料延伸方向が垂直であるとき最大となることから、分子鎖と垂直方向の分子振動に起因すると推測した。さらに、この3THzの誘電損率のピークがNC化により低周波数側にシフトすることを見出し、これはナノフィラー添加によりポリマー/ナノフィラー間に生じる強い相互作用が分子振動を抑制するためであると推測した。
    THz分光は、最近可能となった斬新な計測法であり、これを高分子の誘電特性の解明に用いた研究例は極めて少ない。分光強度のTHz偏光角依存性等を用いた上記解析は、多くの高分子とそのNCに適用しうる重要で新しい手法と考えている。

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Specific Research 【 display / non-display

  • 高分子絶縁材料中の不純物が絶縁特性に与える影響の解明と直流ケーブル用材料の開発

    2001  

     View Summary

     本研究は、架橋ポリエチレンケーブル中の空間電荷形成機構を空間電荷分布の実時間測定により解明し、架橋ポリエチレンケーブルが直流長距離送電に利用できる可能性を示すことを目的としている。有機高分子絶縁体の試料としてポリエチレンを使用し、架橋剤分解残渣である、アセトフェノン、αメチルスチレン、クミルアルコールそれぞれを浸漬させた試料を用いて、これらの残渣がポリエチレン中における空間電荷形成に及ぼす影響を測定した。 アセトフェノン、αメチルスチレンの場合は、浸漬試料と未浸漬試料で構成された2層誘電体では、浸漬試料―未浸漬試料の界面に浸漬試料が接している電極と同極性の電荷が蓄積した。クミルアルコールの場合は、前2者とは対照的に、浸漬試料―未浸漬試料の界面に浸漬試料が接している電極と逆極性の電荷が蓄積した。アセトフェノン、αメチルスチレンにおける電荷蓄積の原因は、伝導電流測定より(導電率/誘電率)の不連続性によるものであると考えられる。これより、アセトフェノン、αメチルスチレンは、電荷移動を促進する作用があると判断できる。一方、クミルアルコールの場合は、伝導電流測定より浸漬試料の導電率の増加は確認されたが、浸漬試料―未浸漬試料の界面に蓄積された電荷の極性が前2者とは違うことより、電荷蓄積の原因は、(導電率/誘電率)の不連続性によるものではなく、クミルアルコールは注入電荷をトラップする作用を持っていると考えられる。 そこで、注入電荷トラップの原因を明確にするため、化学薬品の化学構造とくにカルボニル基、水酸基、ベンゼン環に注目し、それらの化学基の少なくとも1つ以上を含む薬品を使用して空間電荷分布測定を行った。架橋剤分解残渣である3種類の薬品に加えて、ベンゼン環を持つドデシルベンゼン、水酸基とカルボニル基を持つグリセリンモノステアラート、ベンゼン環と水酸基を持つジブチルヒドロキシルトルエンを使用した。空間電荷分布測定の結果、浸漬試料―未浸漬試料の界面電荷は、ドデシルベンゼンの場合は、アセトフェノン、αメチルスチレンと同極性の電荷、グリセリンモノステアラート、ジブチルヒドロキシルトルエンはクミルアルコールと同極性の電荷の蓄積が得られた。この結果より明らかなことは、界面における蓄積電荷の極性と化学構造の関係において水酸基を持つ薬品がポリエチレン中に存在すれば注入電荷をトラップする作用があると考えられることである。 つまり、アセトフェノン、αメチルスチレンは、ポリエチレン中において電荷移動を促進する作用を持つのに対し、クミルアルコールは、電荷をトラップして空間電荷を蓄積させる作用があり、その電荷トラップの原因は水酸基であることを見いだした。

  • 有機高分子絶縁材料中の電荷分布の実時間測定

    2000  

     View Summary

     本研究は、架橋ポリエチレンケーブル中の空間電荷形成機構を空間電荷分布の実時間測定により解明し、架橋ポリエチレンケーブルが直流長距離送電に利用できる可能性を示すことを目的としている。有機高分子絶縁体の試料としてポリエチレンを使用し、架橋剤分解残渣である、アセトフェノン、αメチルスチレン、クミルアルコールそれぞれを浸漬させた試料を用いて、これらの残渣がポリエチレン中における空間電荷形成に及ぼす影響を測定した。 アセトフェノン、αメチルスチレンの場合は、浸漬試料が陽極に接触している場合は、浸漬、未浸漬試料の界面において浸漬試料から未浸漬試料中へ正電荷の移動が確認された。一方、浸漬試料が陰極に接触している場合は、浸漬、未浸漬試料の界面において浸漬試料から未浸漬試料中へ電荷の移動はなく、界面に負電荷が蓄積されるのみであった。1層の浸漬試料においては空間電荷は測定できなかった。これに対して、片面のみにアセトフェノン、αメチルスチレンを塗布した1層の試料では、塗布面が陽極側のときのみ正電荷の移動が確認された。これらの電荷は伝導電流測定より、導電率の増加によるものであることが分かった。これより、アセトフェノン、αメチルスチレンは、電荷移動を促進する作用があると判断できる。 クミルアルコールの場合には、前者の場合とは対称的に、浸漬試料が陽極に接触している場合は、電極、浸漬試料の界面に正電荷が蓄積し、浸漬、未浸漬試料の界面に負電荷が蓄積した。また、浸漬試料から未浸漬試料中へ負電荷の移動は確認されなかった。浸漬試料が陰極に接触している場合は、電極、浸漬試料の界面に負電荷が蓄積し、浸漬、未浸漬試料の界面において正電荷が蓄積した。また、浸漬試料から未浸漬試料中へ電荷の移動はなかった。伝導電流測定より浸漬試料の導電率の増加は確認されたが、界面に蓄積された電荷の極性の違いの原因は明確でない。また、1層の浸漬試料においては、電極と試料の界面に、接触している電極と同極性の電荷が蓄積されていることが測定できた。これは、クミルアルコールが存在すると電荷はその付近でトラップされることを示すものである。 つまり、アセトフェノン、αメチルスチレンは、ポリエチレン中において電荷移動を促進する作用を持つのに対し、クミルアルコールは、電荷をトラップして空間電荷を蓄積させる作用があることを見いだした。このことより、架橋ポリエチレン中よりその架橋剤分解残渣であるクミルアルコールのみを除去できれば、架橋ポリエチレンには空間電荷は形成されないことになり、架橋ポリエチレンケーブルが直流長距離送電に利用できる可能性を示した。