2020 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)
森 茂生 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (20251613)
竹澤 晃弘 早稲田大学, 理工学術院, 准教授 (10452608)
壬生 攻 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40222327)
綿貫 徹 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光科学研究所 放射光科学研究センター, センター長 (30343932)
Das Hena 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 特任准教授 (60836170)
重松 圭 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 助教 (40754578)
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 |
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
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、放射光コヒーレントX線回折イメージングの計測環境整備を進め、スペックルパターンの観察を実施したほか、高温計測のための試料加熱装置の導入を行った。
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+O3の電荷分布をもつ結晶構造の解析に初めて成功した。この化合物においては当初予見していなかったスピン再配列が観測された。Pb2+とPb4+の秩序化のために環境の異なる2つのFe3+が存在し、熱膨張による格子歪みのためにそれらの磁気異方性が変化する事がスピン再配列の起源である事を解明した。どちらも極性のペロブスカイト構造を持つBiInO3とBi2ZnTiO6の固溶体では、電気分極の起源がAサイトの変位からBサイトの変位へと、連続的に変化し、それに伴って、強誘電転移型負熱膨張の温度履歴が減少することを明らかにした。また、当初予見していなかったLiNbO3型の中間相が発見され、強弾性応答が確認された。同じく極性のペロブスカイト構造を持つBi1/2Na1/2VO3に対し、Bi3+をLa3+で置換して6s2孤立電子対の効果を減少させることもでも、Na+をLa3+で置換して、V4+に電子ドープする事でも、負熱膨張物質化できることを見いだした。
３．複合材料の熱膨張係数の設計と検証
負熱膨張材料を含有する樹脂複合材料の熱膨張係数の予測法について、フィラー形状が球または楕円体の場合はEshelbyモデルが有効であることがわかった。
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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
電子顕微鏡観察と放射光コヒーレントX線回折イメージングによって、相転移型負熱膨張材料のドメイン観察が可能となった。これにより相転移の理解が広がり、負熱膨張挙動のコントロールの道筋がついた。また、新しい負熱膨張材料も順調に見つかり、高インパクトファクターのジャーナルへ多数の論文が掲載された。既存材料の工業化や微粒子化も進んでいる。複合材料についても、モデル計算による予測が順調に進んでおり、さらに3Dプリンティング用の負熱膨張材料を練り込んだフィラメントの作製にも成功した。研究は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
Pb1-xSrxVO3において、電子顕微鏡観察で低温相・高温相が作るドメイン構造の観察に成功した。いよいよ昇降温による相転移とドメイン構造変化の直接観察を行う。また、平行して放射光コヒーレント回折イメージングを行い、高温相・低温相の3次元的な分布を明らかにする。
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
BiNiO3、PbCrO3、PbCoO3で観測された、圧力誘起電荷移動転移をPbFeO3についても検証する。ダイヤモンドアンビルと冷凍機を用いた放射光Ｘ線回折実権で、圧力―温度相図を作製し、負熱膨張化が可能かを判定する。また、Pb-3d遷移金属ペロブスカイトとして最後に残ったPbMnO3の電荷分布を解明する。硬Ｘ線光電子分光の結果からはPb2+0.5Pb4+0.5Mn3+O3である事が示唆されているが、Pb2+/Pb4+の秩序配列を示す超構造は見つかっていないので、BiNi1-xFexO3で成功したPDF解析で、これらの短距離秩序構造を解明する。β-Cu1.8Zn0.2V2O7からさらに組成域を拡張したCu2-xZnxV2-yPyO7における負熱膨張機能の最適化、誘電率の低減、低比重化に取り組む。とりわけ、機能に直結する結晶学的パラメータを詳細な構造解析から明らかにする。また磁場下でのアプリケーションや将来的なアクチュエータ材料の開発を念頭に置いて、磁場や電場で誘起される歪の評価も進める。
３．複合材料の熱膨張係数の設計と検証
複合材料の熱膨張係数を、近似モデル用いて予測する目処が立ったので、いよいよトポロジー最適化アルゴリズムを用いて、3Dプリンティングによる負熱膨張抑制効果を最大化する3次元構造の実現へと進む。
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[Presentation] 非鉛強誘電体CaMnTi2O6のV4+置換による自発分極の変化2020
Author(s)
福田 真幸, 西久保 匠, PAN Zhao, 酒井 雄樹, ZHANG Mao-hua, 河口 彰吾, YU Hongwu, 沖本 洋一, 腰原 伸也,伊藤 満, RODEL Jurgen, 東 正樹
Organizer
日本セラミックス協会第33回秋季シンポジウム
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