平井 直志 (ヒライ ナオシ)

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所属

理工学術院 各務記念材料技術研究所

職名

上級研究員(研究院教授)

兼担 【 表示 / 非表示

  • 理工学術院   大学院先進理工学研究科

学歴 【 表示 / 非表示

  •  
    -
    1998年

    愛媛大学   工学研究科   生産工学  

  •  
    -
    1994年

    甲南大学   理学部   応用物理  

学位 【 表示 / 非表示

  • (BLANK)

  • 甲南大学   修士(理学)

  • (BLANK)

  • 愛媛大学   博士(工学)

所属学協会 【 表示 / 非表示

  •  
     
     

    放電学会

  •  
     
     

    電気学会

 

研究分野 【 表示 / 非表示

  • 電気電子材料工学

研究キーワード 【 表示 / 非表示

  • Electronics and Electric Material

論文 【 表示 / 非表示

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

    Yoshimichi Ohki, Naoshi Hirai

    Minerals, Metals and Materials Series   11   77 - 85  2018年

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    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年

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    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年01月

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    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年12月

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    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年12月

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    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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産業財産権 【 表示 / 非表示

  • 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

    特許権

  • 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

    特許権

  • 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

    特許権

受賞 【 表示 / 非表示

  • 電気学会優秀論文発表賞

    2000年  

  • 電気学会優秀論文発表賞

    1993年  

共同研究・競争的資金等の研究課題 【 表示 / 非表示

  • 超広帯域誘電・吸収分光による高分子の物性評価と絶縁劣化診断

    挑戦的萌芽研究

    研究期間:

    2012年
    -
    2013年
     

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    24年度は、GHz帯での高分子絶縁フィルムの誘電特性評価に注力し、7つの高分子のシート状の試料について、複素誘電率スペクトルを測定した。この成果は電気学会論文誌に投稿した。25年度は、電力ケーブルの絶縁材料である架橋ポリエチレン(XLPE)が酸化劣化を受けたときに生じるテラヘルツ吸収ピークの挙動を実験的に明らかにするとともに、量子化学計算を行い、吸収ピークは、結晶格子の共鳴振動が酸化による構造変化に伴って光学的に活性になることが原因で生じることを明らかにした。成果は英文誌に投稿した。この他、ポリエチレンやEPゴムについて、THzイメージングによる絶縁劣化診断の可能性について精力的に研究した。

  • 高分子・無機ナノコンポジットを用いた高性能絶縁材料の開発

    基盤研究(B)

    研究期間:

    2011年
    -
    2013年
     

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    エポキシ樹脂にシリカナノフィラーを少量分散させることにより、プリント基板の耐エレクトロケミカルマイグレーション性が向上することを見い出し、3件の特許を申請した。次に、Feをナノ粒子化し、エポキシ樹脂に複合させ、低渦電流損、高誘電率、高透磁率を実現する新しい絶縁材料の開発への目処を得た。
    複素誘電率の逆数としての電気的モジュラスの周波数への依存性を解析することにより、低周波域での高分子内での電荷輸送に起因する緩和現象を明確化することに成功した。さまざまな高分子についてこの解析を行い、論文を投稿した。また、多くの高分子についてテラヘルツ時間領域分光測定を行い、結果を量子化学計算により検証した。

  • 化学発光測定による生分解性高分子の劣化評価

    基盤研究(C)

    研究期間:

    2011年
    -
    2013年
     

     概要を見る

    構造中にカルボニル基を持つ生分解性高分子の化学発光(CL)挙動はポリエチレン(PE)等と同様の傾向を示すことより、構造中のカルボニル基はCLを呈さないことがわかった。低密度(LD)PE中に含まれるシラン架橋剤やチオビス系酸化防止剤は固有のCLを示さないが、エチレンプロピレンゴム(EPR)中に含まれるイオウ系酸化防止剤、ハロゲン系難燃剤、金属水酸化物、耐放射線性付与剤、イオントラッパー等はCLを呈することがわかった。さらに、EPRのCL挙動はLDPEや生分解性高分子とは異なり、これは、含まれる難燃剤によるものと思われる。以上より、CL測定は高分子材料の酸化評価法として有用な手法である。

  • 各種生分解性高分子の誘電特性支配因子の解明

    基盤研究(B)

    研究期間:

    2008年
    -
    2010年
     

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    主要な生分解性高分子であるポリエチレンテレフタレートサクシネート、ポリブチレンサクシネート、ポリカプロラクトン、ポリブチレンサクシネートアジペート、ポリブチレンアジペートテレフタレート、エステル化澱粉ならびにL型ポリ乳酸に関して、シンクロトロン放射光励起フォトルミネセンス(PL)や先駆的THz分光、密度汎関数法による量子化学計算等を含む先進的な手法を用いて、結晶構造と電気的特性の関係を調査した。この結果、誘電特性を支配する主要な因子について、多くの知見を得ることができた。これは、環境対応型電気絶縁体の実現において、大きく貢献する。

  • 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

    研究期間:

    2007年
    -
    2008年
     

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    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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特定課題研究 【 表示 / 非表示

  • 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年  

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     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年  

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     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。