| Project/Area Number |
23K03584
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 18010:Mechanics of materials and materials-related
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| Research Institution | Kagoshima National College of Technology |
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Principal Investigator |
徳永 仁夫 鹿児島工業高等専門学校, 機械工学科, 教授 (70435460)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2025: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
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| Keywords | 金属ガラス / 傾斜機能材料 / 多孔質材料 / 放電プラズマ焼結 / 複合材料 / 多孔質 / 傾斜機能 / マルテンサイト変態 |
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| Outline of Research at the Start |
金属ガラスは，高強度，低ヤング率，高耐食性といった特徴を有しており，次世代の金属基生体材料としての可能性を有する．しかしながら，材料組織制御が難しい，低延性（塑性変形を示さない），ヤング率が骨のそれよりも数倍高いことなど，実用化を妨げる課題が存在する．本研究では，次世代金属基生体材料を目指し，金属ガラスを基盤とした高延性・低ヤング率な複合材料を創製する．材料作製プロセスとして，ガスアトマイズ法，放電プラズマ焼結法，焼結スペーサ法を組み合わせた手法を提案する．さらに作製した材料の力学的性質を調査し，生体材料としての可能性を明らかにする．
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| Outline of Annual Research Achievements |
Zr-Cu-Al 金属ガラス（以下，MG）をマトリックスとしてZrCuが析出した複合材料は，高延性・低ヤング率を示す．一方で，これらの材料は溶融・凝固（溶製法）によって作製されることが一般的である．溶製法では析出相/ガラスマトリックスの体積分率，析出相の結晶構造，形状を制御することが難しい．本研究では，Zr-Cu-Al MGマトリックス複合材料の材料組織制御プロセス構築を目的とする．特に，材料表面にはMG相が存在し，内部にはZrCuが形成された複合材料の創製を目指す．また，ポーラス化によるヤング率の低下も達成する．具体的な材料組織制御として，粉末冶金技術（ガスアトマイズ（以下，GA）＋放電プラズマ焼結（以下，SPS））を適用する． 本研究では特にSPSにおける焼結温度が，焼結体の材料組織に及ぼす影響明らかにする．また，作製した試料を用いて圧縮試験を行い，MGを形成するSPS条件の調査，および低ヤング率化と高延性化実現の可能性について調査した．
その結果，焼結温度が360℃から420℃までの焼結体ではハローパターンが確認され，ガラス構造の焼結体が得られることを確認した．一方で焼結温度が440℃のSPSではZr2Cuとみられる結晶の形成が確認された．いずれのSPS条件においてもZrCuの形成は確認されなかった．また，焼結温度が高いほどほど焼結体密度が高い．溶製材と比較した場合の相対密度は，焼結温度360℃では92％，420℃ では99％程度の値が得られた．次に圧縮試験を行い，焼結温度が低くなるほど，弾性変形領域の勾配が低くなる傾向があることを確認した．すなわち，ポーラス化による低ヤング率化の可能性が示された．また低密度な焼結体は降伏挙動を示す傾向があった．圧縮試験後破面観察結果より，MG特有のベインパターンが確認され，焼結体がMGからなることが分かった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
放電プラズマ焼結によりMG焼結体が得られること，ガラス構造が得られる焼結温度には適当な範囲があること，焼結温度によって焼結体密度が変化することを明らかにした．一方で，目的とする多孔質構造，材料組織を得るには至っていない．遅れの理由は，研究時間を確保が難しかったことであり，今後は研究計画に沿って研究を進める．
まず，多孔質構造を制御する方法を確立する．その後，材料組織，特に析出する結晶相の種類や体積分率を制御する方法を確立する．
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究で，焼結温度が高いほど焼結体が緻密化することが明らかとなった．また，MGマトリックスが得られる焼結温度には，適正な範囲があることを確認した．一方で，一般的な放電プラズマ焼結で得られる多孔質材料の気孔率は，本研究の目的である，低ヤング率，高延性の実現には不十分である．今後は，さらに気孔率を高めるために，焼結スペーサー法を適用する．具体的には塩化ナトリウム粒子などをスペーサー粒子として，合金粉末と混合して焼結を行い，気孔率を制御する．多孔質化は材料の低ヤング率かだけでなく軽量化，塑性変形発現にも寄与する可能性がある．圧縮試験や引張試験によって変形挙動を明らかにする．
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