MAX相セラミックスの力学特性の原理解明とキンク組織制御に向けた研究

• Project Area: Materials science on mille-feullie structure -Developement of next-generation structural materials guided by a new strengthen principle-
• Project/Area Number: 21H00110
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: 森田 孝治 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 電子・光機能材料研究センター, グループリーダー (20354186)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥6,890,000 (Direct Cost: ¥5,300,000、Indirect Cost: ¥1,590,000); Fiscal Year 2022: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000); Fiscal Year 2021: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
• Keywords: キンク強化 / MAX相 / セラミックス / ナノインデンテーション / キンク / 変形 / キンク境界

Outline of Research at the Start

MAX相セラミックスの諸特性を最大限に引き出すには、MAX相特有の２次元層状構造の配向制御が不可欠である。応募者は、Ti3SiC2(TSC)系MAX相を対象に、磁場配向技術を利用して配向組織を制御することでその高強度化を達成してきた。本研究では、更なる特性向上を目指し、北大と千葉工大との共同研究を通じ、配向組織制御に加え、キンク構造を配向組織中に導入するための基礎知見の取得を目指す。具体的には、MAX相に対する１)キンク構造の形成条件の解明とその最適化、２)キンク構造がMAX相の機械特性に与える影響の解明を図るとともに、取得知見を統合し３)配向組織とキンク構造の制御指針の構築を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、Ti3SiC2(TSC)系MAX相を対象に、キンク構造と機械的特性の相関を解明し、高機能MAX相の実現に向けた支配因子の解明と制御指針の構築を目指した。
まず反応焼結法で、数十μm程度の結晶粒組織を有する緻密なTSC緻密体を創製した。得られたバルク焼結体から3x3x5mmの角柱状試験片を作製し、SPS装置を用いてAr雰囲気中、1200℃の圧縮試験に供した。圧縮試験後、キンク構造が形成された結晶粒に対し、ナノインデンテーション法を用いてキンク境界近傍での力学特性評価を実施することで、単粒子スケールで MAX相におけるキンク強化機構の解明を行った。
具体的には、キンク境界(KB)近傍におけるナノインデンテーション試験後のSPM像から、塑性変形に基因すると考えられるトレース線が圧痕からTSCの底面に沿って形成されているが、トレース線はKBからの距離Lなどに依存し、KBを貫通してもう一方の粒内にも伝播しているものと、KBを貫通することなく、伝播がKBにおいて抑制されている場合があることが分かる。KBからの距離Lとナノ硬さHnの関係から、角度差が35‐40度と比較的小さいKBでは、Lの増加にともないほぼ直線的にHnが低下しているのに対し、角度差が70度のKBでは、大きなLでも比較的高いHv値を示すことが確認できた。この結果から、KB近傍においてナノ硬さが上昇することが確認できた。このことは、MAX相においてもKBは強化機構として機能し、KBの角度が大きくなる程、より効果的に強化に寄与していると考えられる。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Fabrication of Textured Ti₂AlC-MAX Phase Ceramic by Slip Casting under Strong Magnetic Field and Spark Plasma Sintering, and Its Crystal Orientation Dependence of Room Temperature Deformation Behavior (2024)
  • Author(s): MURAOKA Johtaro、IKEDA Ken-ichi、MIURA Seiji、MORITA Koji、S. SUZUKI Tohru、SAKKA Yoshio
  • Journal Title: Journal of the Japan Society of Powder and Powder Metallurgy Volume: 71 Issue: 7 Pages: 257-262
  • DOI: 10.2497/jjspm.23-00076
  • ISSN: 0532-8799, 1880-9014
  • Year and Date: 2024-07-15
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Orientation Dependence of High Temperature Compressive Behavior of Textured Ti₃SiC₂ (2023)
  • Author(s): Shirakami Yuji、Ikeda Ken-ichi、Miura Seiji、Morita Koji、Suzuki Tohru S.、Sakka Yoshio
  • Journal Title: MATERIALS TRANSACTIONS Volume: 64 Issue: 4 Pages: 805-812
  • DOI: 10.2320/matertrans.MT-MD2022012
  • ISSN: 1345-9678, 1347-5320
  • Year and Date: 2023-04-01
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Kink Formation through Creep Deformation and Possibility of Kink Strengthening in Ti₃SiC₂-MAX Phase (2021)
  • Author(s): Matsui Daiki、Morita Koji、Terada Daisuke、Ikeda Ken-ichi、Miura Seiji
  • Journal Title: Journal of the Japan Institute of Metals and Materials Volume: 85 Issue: 12 Pages: 439-448
  • DOI: 10.2320/jinstmet.J2021031
  • NAID: 130008120194
  • ISSN: 0021-4876, 1880-6880, 2433-7501
  • Year and Date: 2021-12-01
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Fabrication of Textured Porous Ti₃SiC₂ by Slip Casting under High Magnetic Field and Microstructural Evolution through High Temperature Deformation (2021)
  • Author(s): Hashimoto Nana、Ikeda Ken-ichi、Miura Seiji、Morita Koji、Suzuki Tohru S.、Sakka Yoshio
  • Journal Title: Journal of the Japan Institute of Metals and Materials Volume: 85 Issue: 7 Pages: 256-263
  • DOI: 10.2320/jinstmet.J2021001
  • NAID: 130008056613
  • ISSN: 0021-4876, 1880-6880, 2433-7501
  • Year and Date: 2021-07-01
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Elastic isotropy originating from heterogeneous interlayer elastic deformation in a Ti3SiC2 MAX phase with a nanolayered crystal structure (2021)
  • Author(s): Liu Ruxia, Tane Masakazu, Kimizuka Hajime, Shirakami Yuji, Ikeda Ken-ichi, Miura Seiji, Morita Koji, Suzuki Tohru S., Sakka Yoshio, Zhang Lianmeng, Sekino Tohru
  • Journal Title: Journal of the European Ceramic Society Volume: 41 Issue: 4 Pages: 2278-2289
  • DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2020.11.026
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] キンク帯を導入したTi3SiC2-MAX 相セラミックス緻密焼結体の創製 (2024)
  • Author(s): 清 英一, 池田賢一, 三浦誠司, 森田 孝治, 鈴木 達, 目 義雄
  • Organizer: 日本金属学会2024年春期講演大会
• [Presentation] Ti3SiC2-MAX相セラミックスの力学特性に及ぼす気孔率とキンク導入量の影響 (2023)
  • Author(s): 清 英一, 池田賢一, 三浦誠司, 森田 孝治, 鈴木 達, 目 義雄
  • Organizer: 日本金属学会2023年春期(第172回)講演大会
• [Presentation] 磁場配向されたTi2AlC-MAX相セラミックスの室温変形と酸化挙動の異方性の評価 (2023)
  • Author(s): 村岡 丈太朗, 池田賢一, 三浦誠司, 森田 孝治, 鈴木 達, 目 義雄
  • Organizer: 日本金属学会2023年春期(第172回)講演大会
• [Presentation] Ti3SiC2-MAX相セラミックス配向無加圧焼結体の組織評価とキンク発達過程の調査 (2023)
  • Author(s): 清英一, 池田賢一, 三浦誠司, 森田 孝治, 鈴木 達, 目 義雄
  • Organizer: 2023年度日本鉄鋼協会・日本金属学会両北海道支部合同サマーセッション
• [Presentation] 配向組織を有するTi2AlC-MAX相セラミックスにおける高温変形挙動の異方性の評価 (2023)
  • Author(s): 村岡丈太朗, 池田賢一, 三浦誠司, 森田 孝治, 鈴木 達, 目 義雄
  • Organizer: 日本金属学会2023年秋期講演大会
• [Presentation] Ti3SiC2-MAX相セラミックスにおけるキンク強化の支配因子評価 (2023)
  • Author(s): 清 英一, 池田賢一, 三浦誠司, 森田 孝治, 鈴木 達, 目 義雄
  • Organizer: 日本金属学会2023年秋期講演大会
• [Presentation] 磁場中スリップキャストにより作製したTi系MAX相セラミックスの諸特性における結晶位依存性 (2023)
  • Author(s): 池田賢一, 村岡丈太朗, 三浦誠司, 森田 孝治, 鈴木 達, 目 義雄
  • Organizer: 東北大学金属材料研究所 大洗・アルファ合同研究会
• [Presentation] Effects of kink boundaries and porosity on high-temperature mechanical (2023)
  • Author(s): E. Sei, K. Ikeda, S. Miura, K. Morita, T. Suzuki, Y. Sakka
  • Organizer: International Conference on Powder and Powder Metallurgy
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ti2AlC-MAX相セラミックスにおける高温変形挙動の結晶方位依存性 (2023)
  • Author(s): 村岡丈太郎, 池田賢一, 三浦誠司, 森田 孝治, 鈴木 達, 目 義雄
  • Organizer: 粉体粉末冶金協会2023年度秋季大会
• [Presentation] Ti3SiC2MAX相セラミックスにおけるキンク組織形成と変形機構の相関 (2021)
  • Author(s): 松井大輝, 森田 孝治, 寺田大将, 池田賢一, 三浦誠司
  • Organizer: 日本金属学会2021年春期（第168回）講演大会
• [Presentation] Ti3SiC2-MAX相におけるキンク境界のナノインデンテーション挙動への影響 (2021)
  • Author(s): 松井大輝, 森田 孝治, 寺田大将, 池田賢一, 三浦誠司
  • Organizer: 日本金属学会 2021年秋期 （第169回）講演大会
• [Presentation] Ti3SiC2MAX 相セラミックス焼結体の力学特性とキンク強化・強靱化の可能性について (2021)
  • Author(s): 池田賢一, 橋本菜々, 白紙悠之, 三浦誠司, 森田 孝治, 鈴木 達, 目 義雄
  • Organizer: 日本金属学会 2021年秋期 （第169回）講演大会
  • Invited
• [Presentation] Ti3SiC2MAX相セラミックスにおける高温キンク強化の検討 (2021)
  • Author(s): 橋本菜々, 池田賢一, 三浦誠司, 森田 孝治, 鈴木 達, 目 義雄
  • Organizer: 日本金属学会 2021年秋期 （第169回）講演大会
• [Presentation] MAX相セラミックスTi3SiC2配向焼結体の力学特性に及ぼす配向方位の影響 (2021)
  • Author(s): 池田賢一, 橋本菜々, 白紙悠之, 三浦誠司, 森田 孝治, 鈴木 達, 目 義雄
  • Organizer: 第４回金属・無機・有機材料の結晶方位解析と応用技術研究会
• [Presentation] ナノインデンテーション法を用いたTi3SiC2MAX相セラミックスにおけるキンク強化検証の研究 (2021)
  • Author(s): 松井大輝, 森田孝治, 寺田大将, 池田賢一, 三浦誠司
  • Organizer: 日本金属学会研究会"微小領域の力学特性評価とマルチスケールモデリング"第三回研究会
• [Remarks] 研究者プロフィール
  • URL: https://samurai.nims.go.jp/profiles/morita_koji