2017 Fiscal Year Research-status Report
ペーストの記憶の外的擾乱に対する非線形応答を用いた破壊と材料物性の制御
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16K05485
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| Research Institution | Nihon University |
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Principal Investigator |
中原 明生 日本大学, 理工学部, 教授 (60297778)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
狐崎 創 奈良女子大学, 自然科学系, 准教授 (00301284)
松尾 洋介 日本大学, 理工学部, 研究員 (40611140) [Withdrawn]
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 破壊の制御 / レオロジー / 塑性流体 / コロイド |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、固液混合材料であるペーストが揺れや流れや磁場を記憶する過程と逆に超音波照射でそれらの記憶が消去される過程を詳細に調べ、各外場下での固液混合ペーストのレオロジー特性の変化を測定し、さらにX線CTを用いてペーストの内部構造の非破壊観察を行うことにより、ペーストの記憶の形成と消去のメカニズムを解明する。
まず、粘弾性測定装置に備わっている温度制御機能を用いてペーストのレオロジーの温度依存性を調べたところ、温度を上げると塑性の強さを表す降伏応力の値が増加する結果が得られた。温度が上がると熱運動が活発になるため、通常の流体では粘性が弱まり、通常の弾塑性体でも塑性が弱まるのに、塑性流体である固液混合ペーストでは逆に塑性が強まるのは驚きである。工学的な応用も十分期待されるので、今後はこのメカニズムを解明していく。
次にX線CTを用いてペーストの非破壊観察を行い、印加した磁場の方向を記憶したペーストの内部構造を調べたところ、ペーストが印加された磁場の方向を記憶して亀裂の伝播方向が磁場に平行だからといって必ずしも磁性粒子の空間配置が磁場の方向に平行なチェーン構造にはなっていないことがわかった。もちろん強い磁場を記憶している時にはチェーン構造が現れるので、磁場の記憶にとって磁性粒子のチェーン構造の形成は十分条件でしかないことになる。ペーストの磁性と塑性の両方の強さを変化させた実験を行った結果、ペースト中での磁性粒子の回転運動による配向も含めた上で塑性変形が磁性ペーストの記憶の本質であることが確かめられた。
最後に、内部構造の異方性を考慮したペーストの乾燥破壊のシミュレーションを行ったところ、異方性の強弱で破片のサイズ分布に変化が生じることが示された。本来外場を記憶したペーストの乾燥亀裂パターンは記憶の種類に依存した異方的な形状を取るので、今後記憶ごとの破片のサイズ分布の違いを調べていく。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
今回粘弾性測定装置に備わっている温度制御機能を用いて固液混合ペーストのレオロジーの温度依存性を調べたところ、通常の塑性体とは逆の挙動を見出したのは大きな成果であり、工学的な応用が期待される。磁性ペーストが磁場の方向を記憶しその方向に割れやすくなるメカニズムも調べ、磁性ペーストの記憶についても磁場下での磁性粒子の配向や配置換えなどを伴う塑性変形が重要であることも示された。内部構造の異方性を考慮した乾燥破壊のシミュレーションも並行して行って、異方性の強弱で破片のサイズ分布に変化が生じることが示された。以上、ペーストのメモリー効果についてサイエンスとして様々な新発見があり、研究はおおむね順調に進行していると言える。一方で、粘弾性測定装置に超音波印加機能も加える作業においては技術的な困難もあり現在も開発段階にあるので、ペーストのメモリー効果の工学的な応用も含め引き続き努力していきたい。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究の推進方策としては、ペーストのメモリー効果のサイエンスとしての基礎研究と工学的な応用開発の両面から行う。
まずは、固液混合ペーストが揺れや流れを記憶するメカニズムを解明するとともに、揺れの記憶から流れの記憶への転移現象の本質を捉えるために、記憶の書き換えや転移現象の実験を行い、揺れと流れの双方を記憶可能なペーストの数理モデルとして提案してそのシミュレーションを行う。特に、異なる種類のコロイド粒子を混ぜて作成した多成分ペーストは単成分ペーストが持っていなかったタイプのメモリー効果を発現する事例が本研究における予備実験で見つかったので、X線CT撮影による内部構造の観察も行うことで、その仕組みを解明する。
次に、塑性流体である固液混合ペーストの塑性の温度依存性が通常の塑性体と逆の振る舞いをするメカニズムを調べるために、レオロジー測定と並行して分子シミュレーターLAMMPSを用いた数値実験を行う。メモリー効果に深く関与する塑性が温度に依存することから、温度制御によりメモリー効果や破壊を制御する応用も考えられる。流れの記憶を温度で制御するするためにも、塑性だけでなく粘性の温度依存性もレオロジー測定と数値実験の両面から調べていく。
本研究の成果を工学的な材料物性の制御に応用するために、超音波照射による記憶の消去のメカニズムを解明するともに、セメントやコンクリートなどの建築資材や３Dプリンターの造形物の内部構造を一様化して壊れにい強固な構造物を作成する応用を試みる。
そして、本研究の応用を地球物理の分野でも生かすために、岩石の記憶から過去の大地震・流動化・地殻変動などの履歴が取り出せるか、地質学者と協力して実際に岩石やその亀裂が過去の履歴を記憶している事例を見出す。
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