研究紹介
結晶粒界・異相界面の設計制御に基づく機械材料・機能材料の高性能化
材料を結晶粒と結晶粒界によって構成される「材料システム」として考え、これらをナノ・マイクロのスケールで制御することにより、その材料のもつ性能をフルに発揮させ、さらには新たな機能を付与することに取り組んでいます。主な研究テーマは以下の通りです。
機械や構造物の破壊事故の原因の80%以上が金属材料の疲労破壊により引き起こされていることが知られています。この破壊の原因を明らかにし、疲労に強い、事故防止のための材料開発を行っています。
多結晶金属材料（右図はアルミニウム）に対し、記号Rで示される高エネルギーのランダム粒界やそれらが互いに連結した粒界三重点において疲労き裂が優先的に形成されることを明らかにしました。
最近では、この知見に基づいて、アルミニウム合金をはじめとした金属材料の疲労破壊制御のための粒界制御プロセスを研究しています。
これらの研究により、航空機事故のような大事故を防げるようになるかもしれません。
金属材料の強度、硬さは結晶粒が微細化するほど増加することが知られています（ホール・ペッチの関係）。そこで、究極的に結晶粒の大きさをナノメートルから数十ナノメートル（ナノメートルは10億分の1メートル、インフルエンザのような細菌類と同程度）にまで小さくすることにより、極めて高い強度、硬さの材料を作るための材料プロセスを電析（めっき）により検討しています。さらに、得られたナノ結晶金属材料の、硬さ、引張強さおよび疲労強度を評価しています。右の下図は、ナノ結晶ニッケル-リン合金の高サイクル疲労破壊試験の結果です。通常の結晶粒径（1mm以上））をもつ材料に比べ、ナノ結晶材料では疲労強さが約2倍にまで増加することることがわかりました。また、これらの材料の破壊機構についても検討を勧めてきました。
このようにして作られたナノ結晶金属材料は、マイクロマシンおよび微小電子機械システム（MEMS）のような、超微細な機械や機械要素(部品)用の機能・構造材料としての応用が期待できます。
機械・構造物の安全性・信頼性の低下を引き起こす粒界腐食や粒界への不純物原子の偏析によって生じる粒界脆化は、粒界エネルギーの高いランダム粒界に沿って進展する浸透（パーコレーション）現象と考えることができます。そこで、左図（上）のようにパーコレーション経路となる特定の粒界の多結晶材料における空間幾何学的分布状態を複雑図形の評価に用いられるフラクタル解析により評価し、さらにそれを制御することによって、従来材料に比べて優れた性能・機能を有する金属材料を開発することを目指して研究を進めています。
左図（下）は、先端電子デバイスに用いられる多結晶金薄膜配線の電気抵抗と高い電気抵抗をもつ種類の粒界（ランダム粒界）の分布状態のフラクタル次元の関係を示しています。ランダム粒界分布のフラクタル次元を低下させる粒界制御により、電気抵抗を低下させられることが明らかになりました。
ヒトの骨や貝殻、さらにはクモの糸など、自然界には優れた強度をもつ材料が多々あります。これらを構成する物質自体は必ずしも高い強度をもっているわけではありません。これらが「材料システム」として高い強度を示す原因を探り、機械材料の設計・開発に役立てることを目的として研究を進めています。現在、水の凝固過程を利用して貝殻のような層状構造をもったバイオセラミックスの開発に成功し、その特性評価を進めています。右図は、髪の毛よりも細いセラミックスの構造体の電子顕微鏡です。これまでになかった新しい多層複合材料が作れる可能性があります！
材料を結晶粒と結晶粒界によって構成される「材料システム」として考え、これらをナノ・マイクロのスケールで制御することにより、その材料のもつ性能をフルに発揮させ、さらには新たな機能を付与することに取り組んでいます。主な研究テーマは以下の通りです。
多結晶金属材料の疲労き裂形成の粒界性格依存性評価
機械や構造物の破壊事故の原因の80%以上が金属材料の疲労破壊により引き起こされていることが知られています。この破壊の原因を明らかにし、疲労に強い、事故防止のための材料開発を行っています。多結晶金属材料（右図はアルミニウム）に対し、記号Rで示される高エネルギーのランダム粒界やそれらが互いに連結した粒界三重点において疲労き裂が優先的に形成されることを明らかにしました。
最近では、この知見に基づいて、アルミニウム合金をはじめとした金属材料の疲労破壊制御のための粒界制御プロセスを研究しています。
これらの研究により、航空機事故のような大事故を防げるようになるかもしれません。
電析によるナノ結晶合金の作製プロセスと機械的性質の評価
金属材料の強度、硬さは結晶粒が微細化するほど増加することが知られています（ホール・ペッチの関係）。そこで、究極的に結晶粒の大きさをナノメートルから数十ナノメートル（ナノメートルは10億分の1メートル、インフルエンザのような細菌類と同程度）にまで小さくすることにより、極めて高い強度、硬さの材料を作るための材料プロセスを電析（めっき）により検討しています。さらに、得られたナノ結晶金属材料の、硬さ、引張強さおよび疲労強度を評価しています。右の下図は、ナノ結晶ニッケル-リン合金の高サイクル疲労破壊試験の結果です。通常の結晶粒径（1mm以上））をもつ材料に比べ、ナノ結晶材料では疲労強さが約2倍にまで増加することることがわかりました。また、これらの材料の破壊機構についても検討を勧めてきました。このようにして作られたナノ結晶金属材料は、マイクロマシンおよび微小電子機械システム（MEMS）のような、超微細な機械や機械要素(部品)用の機能・構造材料としての応用が期待できます。
粒界微細組織のフラクタル解析に基づく粒界工学による金属材料の高性能化
機械・構造物の安全性・信頼性の低下を引き起こす粒界腐食や粒界への不純物原子の偏析によって生じる粒界脆化は、粒界エネルギーの高いランダム粒界に沿って進展する浸透（パーコレーション）現象と考えることができます。そこで、左図（上）のようにパーコレーション経路となる特定の粒界の多結晶材料における空間幾何学的分布状態を複雑図形の評価に用いられるフラクタル解析により評価し、さらにそれを制御することによって、従来材料に比べて優れた性能・機能を有する金属材料を開発することを目指して研究を進めています。左図（下）は、先端電子デバイスに用いられる多結晶金薄膜配線の電気抵抗と高い電気抵抗をもつ種類の粒界（ランダム粒界）の分布状態のフラクタル次元の関係を示しています。ランダム粒界分布のフラクタル次元を低下させる粒界制御により、電気抵抗を低下させられることが明らかになりました。
自然から学ぶ機械材料の高強度化・強靭化に関する研究
ヒトの骨や貝殻、さらにはクモの糸など、自然界には優れた強度をもつ材料が多々あります。これらを構成する物質自体は必ずしも高い強度をもっているわけではありません。これらが「材料システム」として高い強度を示す原因を探り、機械材料の設計・開発に役立てることを目的として研究を進めています。現在、水の凝固過程を利用して貝殻のような層状構造をもったバイオセラミックスの開発に成功し、その特性評価を進めています。右図は、髪の毛よりも細いセラミックスの構造体の電子顕微鏡です。これまでになかった新しい多層複合材料が作れる可能性があります！
機械分野 機械工学コース
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創生工学科
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