• Search Research Projects
  • Search Researchers
  • How to Use
  1. Back to project page

2015 Fiscal Year Annual Research Report

耐環境性セラミックス材料のナノ構造制御と材料創製

Planned Research

Project AreaExploration of nanostructure-property relationships for materials innovation
Project/Area Number 25106008
Research InstitutionJapan Fine Ceramics Center

Principal Investigator

北岡 諭  一般財団法人ファインセラミックスセンター, その他部局等, その他 (80416198)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 森分 博紀  一般財団法人ファインセラミックスセンター, その他部局等, その他 (40450853)
Project Period (FY) 2013-06-28 – 2018-03-31
Keywordsセラミックス / 構造・機能材料 / 表面・界面物性 / ナノ材料 / 無機工業化学
Outline of Annual Research Achievements

本研究では、領域内連携や共同研究により獲得される材料の表面、粒界、点欠陥、添加元素などのナノ構造情報に基づく合理的な設計指針を構築し、それに基づき従来性能を凌駕する革新的な材料の創製に資する。また、公募班との情報科学に関する連携研究の成果を通して、ナノ構造情報と情報学的手法を結びつけた材料設計手法の有効性を示す。本年度に実施した内容は以下の通りである。
(1)保護膜性能:耐熱合金上に形成する酸化アルミニウム膜の粒界を介した物質移動制御の一環として、酸素ポテンシャル勾配の印加により酸素の粒界拡散性が抑制されるモデルを提唱した。また、粒界構造既知の双晶粒界を用いた物質移動解析の結果、Alの粒界拡散性が粒界面の移動方向に強く依存することがわかった。
(2)生体活性能:チタン合金(現行ステム)の酸窒化処理により形成した酸化チタンスケールについて、生体活性能発現の可能性を検討した。その結果、純チタンの場合と異なり生体活性が発現しなかった。合金中の添加元素がスケール表面に濃化したことが、生体活性の著しい低下に関与したことが示唆された。
(3)固体イオニクス:プロトン伝導性BaZrO3において、添加元素が伝導キャリアであるプロトンを不動化する会合現象を第一原理計算により解析した。添加元素の種類、添加元素と捕獲プロトンの位置関係を系統的に変えた会合対モデルに対する一連の計算により、水素結合の強さとZrO6配位多面体の歪みが会合エネルギーの強さと良い相関関係があることを明らかにした。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

(1)保護膜性能:酸素ポテンシャル勾配の印加により、酸化アルミニウム膜の表面が負に帯電することが、酸素の粒界拡散を抑制することがわかった。このことは、従来にない革新的な保護膜設計(酸化物膜の表面帯電現象を制御することにより優れた保護膜性能を発現)に展開できる可能性を秘めている。
(2)生体活性能:チタンとチタン合金を酸窒化処理すると、巨視的には同様の酸化チタンスケールが得られたにも関わらず、スケール表面で発現する生体活性能が大きく異なることがわかった。このことは、チタン合金上のスケール表面に濃化する添加元素の存在状態とそれによって発現する機能の相関をナノ-原子レベルで明らかにし、その情報を基に酸窒化処理条件を最適化することができれば、チタン合金にも優れた生体活性を発現させることが可能になるものと思われる。
(3)固体イオニクス: Sc、In、Lu、Y、Er、Gd、Eu の7種類のアクセプター添加元素に関して会合対形成エネルギーを計算した結果、イオン半径の小さいSc、In、Luでは最隣接サイトが安定となり、イオン半径の大きいY、Er、Gd、Euでは第2隣接サイトが安定になることが明らかとなった。現在、単独添加元素での安定性解析結果に基づいて、複数のドーパントがセル中に存在するより複雑な現実に近い固溶状態における酸素空孔、プロトンのエネルギー計算を進めている。

Strategy for Future Research Activity

(1)保護膜性能:酸素トレーサーを用いて、高温の酸素ポテンシャル勾配下に曝した酸化アルミニウム膜(多結晶、双晶、粒界偏析元素有無)中の粒界を介した物質移動現象を、原子・ナノレベルの構造解析を併用して評価・解析する。そして、これらの知見を基に、保護膜の環境遮蔽性と構造安定性の向上に資する設計指針を示す。
(2)生体活性能:チタン合金の酸窒化処理により形成する酸化チタンスケールの生体活性能と、スケールの表面帯電状態や内部構造等との相関を明らかにし、生体活性能発現因子を抽出する。
(3)固体イオニクス
プロトン伝導性固体酸化物燃料電池として実用化が期待されるY添加BaZrO3に着目し、10~30 mol%のYを含む高濃度固溶体モデルにおいてYと酸素空孔、プロトンの安定配置を第一原理計算によるエネルギー計算に基づき決定する。機械学習に基づいたY添加BaZrO3のエネルギー状態を記述する構造特徴量を抽出し、特徴量を説明変数としたエネルギー評価関数による安定構造探索を行うアルゴリズムの開発を行う。

  • Research Products

    (45 results)

All 2016 2015 Other

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 4 results,  Acknowledgement Compliant: 4 results) Presentation (39 results) (of which Int'l Joint Research: 16 results,  Invited: 17 results) Remarks (1 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Journal Article] The electric field induced ferroelectric phase transition of AgNbO32016

    • Author(s)
      H. Moriwake, A. Konishi, T. Ogawa, C. A. J. Fisher, A. Kuwabara, D. Fu
    • Journal Title

      Journal of Applied Physics

      Volume: 119 Pages: 064102

    • DOI

      10.1063/1.4941319

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Electrical susceptibilities of KNbO3 by molecular dynamics simulations using a shell model2016

    • Author(s)
      T. Hashimoto, H. Moriwake
    • Journal Title

      Physica B

      Volume: 485 Pages: 110-115

    • DOI

      10.1016/j.physb.2016.01.015

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Piezoelectric anisotropy of KNbO3 by molecular dynamics simulations using a shell model2016

    • Author(s)
      T. Hashimoto, H. Moriwake
    • Journal Title

      J. Phys. Soc. Jpn.

      Volume: 85 Pages: 034702

    • DOI

      10.7566/JPSJ.85.034702

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Machine-learning-based selective sampling procedure for identifying the low-energy region in a potential energy surface: A case study on proton conduction in oxides2016

    • Author(s)
      K. Toyoura, D. Hirano, A. Seko, M. Shiga, A. Kuwabara, M. Karasuyama, K. Shitara, and I. Takeuchi
    • Journal Title

      Phys. Rev. B

      Volume: 93 Pages: 054112

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.93.054112

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Presentation] First principles calculations of carrier trapping in proton conductive acceptor-doped BaZrO32016

    • Author(s)
      桑原彰秀,クレイグ・フィッシャー,森分博紀
    • Organizer
      20th International Conference on Solid State Ionics (SSI20)
    • Place of Presentation
      Keystone, Colorado, USA
    • Year and Date
      2016-06-14 – 2016-06-19
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 次世代航空機エンジン用CMCの耐環境/遮熱コーティング2016

    • Author(s)
      北岡諭
    • Organizer
      AISTワークショップ 次世代航空機・宇宙産業に資するセラミックス基材料
    • Place of Presentation
      桑山ビル・名古屋市
    • Year and Date
      2016-03-29
    • Invited
  • [Presentation] 第一原理計算と原子分解能構造解析との連携によるLiイオン電池材料研究2016

    • Author(s)
      森分博紀
    • Organizer
      賢材研究会
    • Place of Presentation
      ファインセラミックスセンター・名古屋
    • Year and Date
      2016-03-24
    • Invited
  • [Presentation] 高温における酸化保護膜中の物質移動制御2016

    • Author(s)
      北岡諭
    • Organizer
      日本セラミックス協会 2016年年会
    • Place of Presentation
      早稲田大学・東京
    • Year and Date
      2016-03-14 – 2016-03-16
    • Invited
  • [Presentation] HfO2薄膜における強誘電相転移に関する第一原理計算2016

    • Author(s)
      森分博紀,小西綾子,桑原彰秀,東後篤史,清水荘雄,舟窪浩
    • Organizer
      日本セラミックス協会 2016年年会
    • Place of Presentation
      早稲田大学・東京
    • Year and Date
      2016-03-14 – 2016-03-16
  • [Presentation] 第一原理計算によるGaFeO3型強誘電体の分極反転経路解析2016

    • Author(s)
      小西綾子,小川貴史,Craig A. J. Fisher,桑原彰秀,森分博紀,濱嵜容丞,安井伸太郎,伊藤満
    • Organizer
      日本セラミックス協会 2016年年会
    • Place of Presentation
      早稲田大学・東京
    • Year and Date
      2016-03-14 – 2016-03-16
  • [Presentation] First Principles Calculations of Diffusion and Defect Formation Mechanism in Solid State Ionic Conductors2016

    • Author(s)
      A. Kuwabara
    • Organizer
      Japanese Swiss Energy Materials Workshop
    • Place of Presentation
      Zürich, Switzerland
    • Year and Date
      2016-03-07 – 2016-03-09
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Electronic Ceramics Research Combining Atomic Level Structure Analysys and Theoretical Calculations2016

    • Author(s)
      H. Moriwake
    • Organizer
      The 5th Workshop on New Frontiers in Ferroelectrics 2016
    • Place of Presentation
      北海道大学
    • Year and Date
      2016-03-04 – 2016-03-06
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] First principle calculation of ferroelectric materials2016

    • Author(s)
      H. Moriwake
    • Organizer
      International Symposium of Ferroelectric Materials Toward Energy Harvesting
    • Place of Presentation
      龍谷大学
    • Year and Date
      2016-02-24
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] First-Principles Calculations of Electric Field Induced Ferroelectric Phase Transition in AgNbO32016

    • Author(s)
      H. Moriwake, A. Konishi, T. Ogawa, C. A. J. Fisher, A. Kuwabara, D. Fu
    • Organizer
      Fundamental Physics of Ferroelectrics 2016 (Ferro2016)
    • Place of Presentation
      Washington, USA
    • Year and Date
      2016-01-31 – 2016-02-03
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] First-principles calculations of Li-ion migration behaviors at solid-solid interfaces in lithium-ion battery materials2016

    • Author(s)
      A. Kuwabara, H. Yu, C. A. J . Fisher, H. Moriwake, H. Zhou, Y. Ikuhara
    • Organizer
      40th International Conference and Expo on Advanced Ceramics and Composites (ICACC’16)
    • Place of Presentation
      Frolida, USA
    • Year and Date
      2016-01-24 – 2016-01-29
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Defect chemistry in Y2Ti2O7 pyrochlore from DFT calculations2016

    • Author(s)
      T. Ogawa, A. Kuwabara, C. A. J. Fisher, H. Moriwake, S. Kitaoka
    • Organizer
      40th International Conference and Expo on Advanced Ceramics and Composites (ICACC' 16)
    • Place of Presentation
      Frolida, USA
    • Year and Date
      2016-01-24 – 2016-01-29
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] リチウムイオン二次電池における界面構造とリチウムイオンダイナミクスの第一原理計算2016

    • Author(s)
      桑原彰秀
    • Organizer
      日本金属学会東海支部・日本鉄鋼協会東海支部学術討論会
    • Place of Presentation
      名古屋大学
    • Year and Date
      2016-01-19
    • Invited
  • [Presentation] 航空機エンジン用耐熱部材の耐環境/遮熱コーティング2015

    • Author(s)
      北岡諭
    • Organizer
      浜松地域イノベーション推進機構 第2回セラミックス勉強会
    • Place of Presentation
      呉竹荘,浜松市
    • Year and Date
      2015-12-09
    • Invited
  • [Presentation] Li過剰系正極活物質における界面でのLi拡散現象に関する第一原理計算2015

    • Author(s)
      桑原彰秀,肖英紀、尉海军、栃木栄太、柴田直哉、工藤徹一、周豪慎、幾原雄一
    • Organizer
      第25回日本MRS年次大会
    • Place of Presentation
      横浜情報文化センター
    • Year and Date
      2015-12-08 – 2015-12-10
    • Invited
  • [Presentation] 一定電束密度下の第一原理計算を用いたウルツァイト型結晶構造酸化物の強誘電性解析2015

    • Author(s)
      小西綾子,森分博紀,小川貴史,大谷紀子,Craig A. J. Fisher,桑原彰秀
    • Organizer
      第25回日本MRS年次大会
    • Place of Presentation
      横浜情報文化センター
    • Year and Date
      2015-12-08 – 2015-12-10
  • [Presentation] 航空機エンジン用材料の耐環境性保護コーティング2015

    • Author(s)
      北岡諭
    • Organizer
      平成27年度 先端科学セミナー「ナノ材料工学の最先端」
    • Place of Presentation
      名城大学・天白キャンパス
    • Year and Date
      2015-12-05
    • Invited
  • [Presentation] Structure and electronic structure change during charge-discharge process of Na4Co3(PO4)2P2O7: A first-principle study2015

    • Author(s)
      H. Moriwake, A. Kuwabara, C. A. J. Fisher, M. Nose, H. Nakayama, S. Nakanishi, H. Iba and Y. Ikuhara
    • Organizer
      5 MRS Fall Meeting & Exhibit
    • Place of Presentation
      Boston, USA
    • Year and Date
      2015-11-29 – 2015-12-04
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Functional Electronic Ceramic Materials Research by Collaboration between Atomic Level Structure Analysis and Theoretical Calculations2015

    • Author(s)
      H. Moriwake
    • Organizer
      2nd International Symposium on Frontiers in Materials Science (FMS2015)
    • Place of Presentation
      早稲田大学・東京
    • Year and Date
      2015-11-19 – 2015-11-21
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] First-Principles Calculation of Hydration Reaction in Acceptor-doped Rare-Earth Phosphates2015

    • Author(s)
      A. Kuwabara, H. Matsuo, H. Takahashi, N. Kitamura, K. Amezawa
    • Organizer
      2nd International Symposium on Frontiers in Materials Science (FMS2015)
    • Place of Presentation
      早稲田大学・東京
    • Year and Date
      2015-11-19 – 2015-11-21
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] First-Principles Calculations of Point Defect Formation in Y2Ti2O7 Pyrochlore2015

    • Author(s)
      小川貴史,桑原彰秀,フィッシャー・クレイグ,森分博紀,北岡諭
    • Organizer
      2nd International Symposium on Frontiers in Materials Science (FMS2015)
    • Place of Presentation
      早稲田大学・東京
    • Year and Date
      2015-11-19 – 2015-11-21
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Effect of Oxygen Potential Gradients on Mass Transfer along Grain Boundaries in Alumina at High Temperatures2015

    • Author(s)
      T. Matsudaira, T. Nakagawa, S. Kitaoka, N. Shibata, Y. Ikuhara
    • Organizer
      第32回日韓国際セラミックスセミナー
    • Place of Presentation
      ホテルニューオータニ長岡・長岡
    • Year and Date
      2015-11-18 – 2015-11-21
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Ferroelectricity in Wurtzite Structured ZnO under Fixed Electric Displacement Fields Using First-Principles Calculations2015

    • Author(s)
      小西綾子,森分博紀,小川貴史,大谷紀子,Craig A. J. Fisher,桑原彰秀
    • Organizer
      第32回日韓セラミックスセミナー
    • Place of Presentation
      ホテルニューオータニ長岡・長岡
    • Year and Date
      2015-11-18 – 2015-11-21
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 次世代航空機エンジン用耐熱軽量部材の耐環境/遮熱コーティング2015

    • Author(s)
      北岡諭
    • Organizer
      TECH-Biz Expo 2015
    • Place of Presentation
      吹上ホール,名古屋
    • Year and Date
      2015-11-18
  • [Presentation] Na二次電池正極材料Na4Co3(PO4)2P2O7の電池特性の第一原理計算2015

    • Author(s)
      森分博紀,桑原彰秀,Craig Fisher,野瀬雅文,中山英樹*,中西真二,射場英紀,幾原雄一
    • Organizer
      電気化学会 第56回 電池討論会
    • Place of Presentation
      ウィンクあいち・名古屋市
    • Year and Date
      2015-11-11 – 2015-11-13
  • [Presentation] Atomistic Structures and Transport Phenomena at Interfaces in Lithium Battery Materials2015

    • Author(s)
      A. Kuwabara, C. A. J. Fisher, Y. H. Ikuhara, X. Gao, H. Moriwake, R. Huang, K. Kohama, T. Hitosugi, Y. Ikuhara
    • Organizer
      Composites at Lake Louise (CALL 2015)
    • Place of Presentation
      Lake Louise, Alberta, Canada
    • Year and Date
      2015-11-08 – 2015-11-12
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 第一原理計算と原子分解能構造解析の連携による電子材料セラミックスの研究2015

    • Author(s)
      森分博紀
    • Organizer
      日本セラミックス協会 セラ協電子材料部会 第35回エレクトロセラミックス研究討論会
    • Place of Presentation
      東京工業大学・大岡山キャンパス
    • Year and Date
      2015-10-22 – 2015-10-23
  • [Presentation] Mass Transfer along Grain Boundaries in Polycrystalline Alumina under Oxygen Potential Gradients at High Temperatures2015

    • Author(s)
      S. Kitaoka, T. Matsudaira, T. Nakagawa, N. Shibata, Y. Ikuhara
    • Organizer
      Materials Science & Technology 2015
    • Place of Presentation
      Columbus, OH, USA
    • Year and Date
      2015-10-04 – 2015-10-08
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 多結晶アルミナ中の物質移動に及ぼす酸素ポテンシャル勾配の影響2015

    • Author(s)
      松平恒昭,北岡諭,中川翼,柴田直哉,幾原雄一
    • Organizer
      日本金属学会 2015年秋期(第157回)講演大会
    • Place of Presentation
      九州大学・伊都キャンパス
    • Year and Date
      2015-09-16 – 2015-09-18
  • [Presentation] 双結晶を用いたアルミナ薄膜粒界中の酸素透過能測定2015

    • Author(s)
      中川翼,松平恒昭,栃木栄太,柴田直哉,北岡諭,幾原雄一
    • Organizer
      日本セラミックス協会 第28回秋季シンポジウム
    • Place of Presentation
      富山大学・五福キャンパス
    • Year and Date
      2015-09-16 – 2015-09-18
  • [Presentation] Na二次電池正極材料Na4Co3(PO4)2P2O7の電池特性の第一原理計算2015

    • Author(s)
      森分博紀,桑原彰秀,クレイグ フィッシャー , 野瀬雅文,中山英樹,中西真二,射場英紀、幾原雄一
    • Organizer
      日本セラミックス協会 第28回秋季シンポジウム
    • Place of Presentation
      富山大学・五福キャンパス
    • Year and Date
      2015-09-16 – 2015-09-18
  • [Presentation] Li過剰系正極活物質Li2MnO3-LiTMO2 (TM = Mn, Ni, Co)におけるドメイン境界でのLi拡散挙動の第一原理計算2015

    • Author(s)
      桑原彰秀,肖英紀,尉海军,栃木栄太,柴田直哉,工藤徹一,周豪慎,幾原雄一
    • Organizer
      日本セラミックス協会 第28回秋季シンポジウム
    • Place of Presentation
      富山大学・五福キャンパス
    • Year and Date
      2015-09-16 – 2015-09-18
  • [Presentation] 第一原理計算によるAgNbO3の電場誘起強誘電相転移と有限温度における挙動2015

    • Author(s)
      小西綾子,小川貴史,Craig A. J. Fisher,桑原彰秀,森分博紀,符徳勝
    • Organizer
      日本セラミックス協会 第28回秋季シンポジウム
    • Place of Presentation
      富山大学・五福キャンパス
    • Year and Date
      2015-09-16 – 2015-09-18
  • [Presentation] 第一原理計算によるYbシリケートの結合と電子状態の解析2015

    • Author(s)
      小川貴史,桑原彰秀,C. A. J. Fisher,森分博紀,北岡諭,吉矢真人
    • Organizer
      日本セラミックス協会 第28回秋季シンポジウム
    • Place of Presentation
      富山大学・五福キャンパス
    • Year and Date
      2015-09-16 – 2015-09-18
  • [Presentation] Y2Ti2O7パイロクロア結晶中の点欠陥生成に関する第一原理計算2015

    • Author(s)
      小川貴史,桑原彰秀,フィッシャー・クレイグ,森分博紀,北岡諭
    • Organizer
      日本金属学会 2015年秋期(第157回)講演大会
    • Place of Presentation
      九州大学・伊都キャンパス
    • Year and Date
      2015-09-16 – 2015-09-18
  • [Presentation] Mass Transfer Mechanism in Polycrystalline Alumina under Oxygen and Water Vapor Potential Gradients at High Temperature2015

    • Author(s)
      T. Matsudaira, T. Nakagawa, S. Kitaoka, N. Shibata, Y. Ikuhara
    • Organizer
      The 11th Pacific Rim Conference of Ceramic Societies (PACRIM 11)
    • Place of Presentation
      Jeju, Korea
    • Year and Date
      2015-08-30 – 2015-09-04
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 第一原理計算による機能性セラミックス材料研究2015

    • Author(s)
      森分博紀
    • Organizer
      第29回名古屋駅前イノベーションハブシーズ発表会
    • Place of Presentation
      ウィンクあいち・名古屋
    • Year and Date
      2015-05-26
    • Invited
  • [Presentation] 酸化保護膜の環境遮蔽性/構造安定性の制御2015

    • Author(s)
      北岡諭
    • Organizer
      日本溶接協会 表面改質技術研究委員会
    • Place of Presentation
      日本溶接協会・溶接会館
    • Year and Date
      2015-05-19
    • Invited
  • [Presentation] 酸化アパタイト形成のために作製されたTi酸化層中のNの化学状態分析2015

    • Author(s)
      小幡佳弘,巽一厳,武藤俊介,橋本雅美,北岡諭
    • Organizer
      日本顕微鏡学会 第71回学術講演会
    • Place of Presentation
      国立京都国際会館
    • Year and Date
      2015-05-13 – 2015-05-15
  • [Remarks] 非営利・一般財団法人ファインセラミックスセンター

    • URL

      http://www.jfcc.or.jp/

  • [Patent(Industrial Property Rights)] 膜及びそれを備える積層物2016

    • Inventor(s)
      松平恒昭,北岡諭,小川貴史,柴田直哉,幾原雄一
    • Industrial Property Rights Holder
      ファインセラミックスセンター,東京大学
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      特願2016-42718
    • Filing Date
      2016-03-04

URL: 

Published: 2017-01-06  

Information User Guide FAQ News Terms of Use Attribution of KAKENHI

Powered by NII kakenhi