2019 Fiscal Year Annual Research Report
Novel Negative Thermal Expansion Materials for Thermal Expansion Control
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19H05625
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
東 正樹 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 教授 (40273510)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
竹中 康司 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (60283454)
竹澤 晃弘 広島大学, 工学研究科, 准教授 (10452608)
森 茂生 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (20251613)
綿貫 徹 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 量子ビーム科学研究部門, 次長(定常) (30343932)
壬生 攻 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40222327)
重松 圭 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 助教 (40754578)
Das Hena 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 特任准教授 (60836170)
酒井 雄樹 地方独立行政法人神奈川県立産業技術総合研究所, 「次世代機能性酸化物材料」プロジェクト (東P), 研究員(任期有) (80758798)
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| Project Period (FY) |
2019-06-26 – 2024-03-31
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| Keywords | 負熱膨張 / 相転移 / 局所構造解析 / 複合材料 / トポロジー最適化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
巨大負熱膨張物質を用いた熱膨張抑制手法の確立という目標を達成するため、以下の項目について研究を行った。
１．負熱膨張特性を左右する相転移挙動の理解と、材料探索へのフィードバック：BiNi1-xFexO3において、電荷移動による体積収縮の減少を、極性→非極性構造転移が増強するため、組成に寄らない負熱膨張が実現する事を見いだした。また、極性→非極性構造転移による巨大負熱膨張をしめすPb1-xSrxVO3において、電子顕微鏡観察で、低温正方晶相と高温立方晶相のドメイン構造の観察に初めて成功した。こうしたドメインなどのナノ構造を可視化するための放射光コヒーレント回折イメージングの計測環境整備も順調に進んでいる。
２．電荷移動、軌道秩序、強誘電転移の相転移型巨大負熱膨張材料の探索：PbFeO3においては、Fe3+である事をメスバウアー分光によって確認、放射光Ｘ線と中性子回折実験で、Pb2+0.5Pb4+0.5Fe3+の電荷分布をもつ結晶構造の解析に初めて成功した。今後の負熱膨張化が期待される。また、等方物質としては最大の負熱膨張を示す硫化サマリウムSm1-xYxSについて、負熱膨張の動作温度の上限は、4f軌道と5d軌道のオーバーラップで決まることを明らかにした。
３．複合材料の熱膨張係数の設計と検証：バルク体と遜色ない性能を有するサブミクロン粒径のマンガン窒化物負熱膨張性微粒子の合成に成功した。また、セラミック体特有の材料組織効果により広い温度域で大きな負熱膨張を示すCu1.8Zn0.2V2O7をスプレードライ法やゾルゲル法といった溶液から出発する手法で作製し、バルク体と遜色ない負熱膨張特性を有する1μmレベルの微粒子を、粉砕の工程なしで、実現した。BiNi1-xFexO3についても工業的合成手法を確立した。これらにより、複合材料開発に必要なフィラーの大量合成が可能となる。
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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
これまでに発見してきた材料の合成法をブラッシュアップし、ゼロ熱膨張コンポジット材料のフィラーとして用いるための大量合成技術を確立しつつある。一方、さらなる新物質の開発指針構築のための、負熱膨張メカニズムの解明も順調に進んでいる。相転移挙動を理解するためのドメイン構造観察も、先行している電子顕微鏡観察に加え、放射光コヒーレント回折イメージングの計測環境整備が進み、データが出だしている。また、複合材料合成のための3Dプリンターや、薄膜育成のための成膜装置も年度内に納入され、調整が終了した。初年度の研究は、計画通り、順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
１．負熱膨張特性を左右する相転移挙動の理解と、材料探索へのフィードバック：正方晶相と立方体晶相が室温で共存、昇温すると正方晶相の分率が増加することで負熱膨張を示すPb0.82Sr0.18VO3において、電子顕微鏡観察放射光コヒーレントX回折イメージングによってドメイン構造を観察し、相転移挙動の理解につなげる。また、スズ含有窒化マンガン系負熱膨張材料のメスバウアー分光測定を実施し，磁気相転移と熱膨張の相関を局所的な視点から探る。Ca2RuO4については放射光Ｘ線全散乱データのPDF解析とEXAFSで局所構造解析を行い、負熱膨張の起源を明らかにする。
２．電荷移動、軌道秩序、強誘電転移の相転移型巨大負熱膨張材料の探索：圧力誘起電荷移動で9.8%もの体積収縮を示すPbCrO3の負熱膨張化を試みる。また、PbTiO3と同程度の構造歪みを持つBi0.5Na0.5VO3についても負熱膨張化を行う。さらに、結晶構造からのスクリーニングの手法を用いて、Ca2RuO4、Cu2V2O7以外の材料組織型負熱膨張材料を探索する。
３．複合材料の熱膨張係数の設計と検証：負熱膨張物-質樹脂複合材料の熱膨張係数の予測モデル作成DIC（画像相関法）による複合材料の熱膨張直接観察を行い、有限要素法によるシミュレーションと比較しながら、熱膨張物質樹脂複合材料の熱膨張予測モデルを検討する。実際の材料に関しては、負熱膨張性フィラーが樹脂中により均一に分散し、良好な界面を形成するための表面修飾剤の検討を行い、実際に樹脂複合材料を作製して効果を検証する。また、 負熱膨張物-質樹脂複合材料を用いてフィラメントを作成し、FDM式の装置を用いて、3Dプリンティングを試みる。更には、2ノズル装置により汎用樹脂材料と複合材料を組み合わせ、負熱膨張の増大、もしくは複合材料の省材料化を検討する。
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