| Project/Area Number |
22KJ2139
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| Project/Area Number (Other) |
22J11558 (2022)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2023)
Single-year Grants (2022) |
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| Section | 国内 |
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| Review Section |
Basic Section 26050:Material processing and microstructure control-related
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| Research Institution | Tohoku University (2023)
Osaka University (2022) |
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Principal Investigator |
朱 伝奇 東北大学, 金属材料研究所, 特別研究員(PD)
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| Project Period (FY) |
2023-03-08 – 2024-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Fiscal Year 2023: ¥500,000 (Direct Cost: ¥500,000)
Fiscal Year 2022: ¥500,000 (Direct Cost: ¥500,000)
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| Keywords | 非平衡凝固 / 微細組織 / 数値計算 / 結晶成長 / シミュレーション |
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| Outline of Research at the Start |
持続可能な低炭素社会を実現するためには、新しいエネルギー関連材料の開発が不可欠である。たとえば、超高温で使用できるタービンブレードは、エネルギー利用効率を向上させ、高品質のシリコン材料は太陽電池の光エネルギー変換率を向上させる。本研究は、これらの材料の凝固における微細組織の発達過程を理解することにより、溶融加工技術の改善と材料特性の向上の指針を示すことを目的とする。本研究では、組織形成過程のシミュレーションに適した数値計算法として知られるフェーズフィールド法を用いて、特にSiを含む共晶系に注目して、実験的な観察からは得られない知見と理解を得て、新しい材料の開発を加速する指針を示す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
複雑な共晶パターンの形成機構を解明するために、界面の異方性と溶質の再分配という二つの基本的なプロセスを適切にモデリングすることが本研究の焦点である。昨年は、シリコン成長を例として界面異方性に関連する結晶組織を探求した。今年は、高速凝固の数値モデルの定式化と数値実行に取り組んだ。フェーズフィールド法は合金凝固組織の解明、予測、および最適化に強力なツールである。この方法は固相と液相の界面で局所平衡を仮定するが、凝固速度が0.1 m/s以上に増加すると、高速な界面の振る舞いや非平衡な微細構造を正確に記述することが難しくなる。以前のモデルとは異なり、本研究のモデルは尖端界面モデルと拡散界面モデルの両方の特徴を組み合わせたアプローチを採用し、非平衡な溶質の分配を直接的に組み込むことが可能である。このモデルの中に、通常の溶質分配係数ではなく、非平衡溶質分配を記述するcapture coefficientという係数が導入され、実験で頻繁に観察される不規則なセル構造と無偏析バンドをシミュレーションで再現することが可能である。これらの成果は、二つの論文で報告され、査読付きジャーナルへの投稿が進行中である。一つはモデリング方法を検証し、もう一つは実験結果との比較を主に議論する。これらの論文は、学術コミュニティからの注目を集めることが期待されている。この新しい凝固シミュレーション手法は、金属材料の高速凝固における非平衡微細組織の形成に関する洞察を得るための有用なツールとして機能し、炭素中和社会の実現に貢献する次世代の積層造形技術の発展を支援することを目指している。
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