【本学研究者情報】

〇環境科学研究科　助教　王真金
環境科学研究科　教授　成田史生
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

• 世界で初めて、炭素繊維強化プラスチック（CFRP）のき裂長さを「電波送信間隔」だけから定量的に読み取ることに成功しました。
• CFRPと鉛フリー圧電 KNN-エポキシを積層した独自構造により、振動だけでLED点灯やIoT無線送信を駆動できる自己発電型材料を実現しました。
• き裂が進むほど送信間隔が伸びる新現象を発見し、そのメカニズムを力学解析と電気エネルギー理論から解明しました。
• 航空・宇宙機器、風力発電ブレードなど、大型構造物の「外部電源ゼロ」自立型ヘルスモニタリングへの応用が期待される革新的技術です。

【概要】

CFRPは、高比強度・高比剛性^（注1）を有し、航空機やロケット、人工衛星などに広く利用されています。一方で、CFRP は金属のような塑性変形^（注2）を示さず、内部に生じたき裂や層間はく離は外観から見えにくいという課題があります。現在は、こうした内部損傷を確認するためには超音波探傷などによる検査を行っており、多大な時間と人的コストを要しています。

東北大学大学院環境科学研究科（工学部材料科学総合学科）の王真金助教、成田史生教授らと日機装株式会社（以下、日機装）の研究グループは、英国リーズ大学の Yu Shi 教授と共同で、CFRPの損傷を自ら検知する機能を付与した複合材料を開発し、世界で初めて、CFRPのき裂進展を「電波送信間隔」から定量的に読み取ることに成功しました。

本成果は、振動を電気エネルギーに変換することで自己発電を行い、CFRPの損傷程度を定量的に把握できるモニタリング技術です。材料そのものが自己発電・自己診断・無線送信を兼ね備える「完全自立型」複合材の実現に向けた大きな一歩であり、航空宇宙分野を中心に多くの産業での活用が期待されます。

本成果論文は、2026年1月9日にスマート材料・ナノ材料分野の国際学術誌International Journal of Smart and Nano Materialsに掲載されました。

図1. CFRP/KNN 複合材料の概略図（材料構成と層構造）。

【用語解説】

注1. 高比強度・高比剛性：比強度・比剛性とは、材料の強度・剛性をその材料の密度で割った値。これらの値が高いほど軽量でありながら強度・剛性が高い材料であることを示す。

注2. 塑性変形：負荷した外力を取り除いても元の形状に戻らない変形。永久変形とも言う。

【論文情報】

タイトル：From Vibration to Information: Self-Powered Crack Detection and Wireless Communication in Carbon Fiber Reinforced Piezoelectric Nanocomposites
著者：Yuki Sueda, Zhenjin Wang*, Yaonan Yu, Yusuke Watanabe, Sato Hoshiki, Ryozo Ohiwa, Yu Shi, Hiroki Kurita, Fumio Narita
*責任著者：東北大学大学院環境科学研究科 助教 Zhenjin Wang
掲載誌： International Journal of Smart and Nano Materials
DOI：10.1080/19475411.2025.2610182

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

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Email: zhenjin.wang.d6*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

（報道に関すること）
東北大学大学院環境科学研究科
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