Generation of novel functional materials by using hydrodynamic cavitation with particles

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20H02021
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 18010:Mechanics of materials and materials-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: Soyama Hitoshi 東北大学, 工学研究科, 教授 (90211995)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 北川 尚美 東北大学, 工学研究科, 教授 (00261503) ; 久慈 千栄子 東北大学, 工学研究科, 助教 (20839287) ; 佐々木 裕章 東北大学, 工学研究科, 助教 (90812040)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: キャビテーション / 固体粒子 / セルロースナノファイバ / 表面力学設計 / 機械的表面改質 / 金属製積層造形材 / 疲労強度

Outline of Final Research Achievements

The purpose of this research is to create new functional materials using hydrodynamic cavitation containing solid particles. Specifically, it was demonstrated that the fatigue strength of additively manufactured titanium alloy can be improved by mechanical surface treatment using a cavitating jet with abrasives, i.e., solid particles, (cavitating abrasive surface finishing CASF). We also demonstrated that cellulose nanofibers (CNF) can be generated by defibrating cellulose by hydrodynamic cavitation generated by using a Venturi tube, and CNF was observed by a scanning electron microscope (SEM). Furthermore, we succeeded to produce CNF using hydrodynamic cavitation by a flow control valve.

Free Research Field

表面力学設計

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

流動キャビテーションの有効活用において，流動キャビテーションの圧潰場の圧力の増大によりキャビテーション強さが増大する原因がこれまで不明だった。本研究の実施により，流動キャビテーション圧潰後の残留気泡を高速度観察することにより，キャビテーション流れ場の音速を計測できることを明らかにし，音速を考慮してキャビテーション強さを評価することにより，圧潰場の圧力によりキャビテーション強さが変化する機構を明らかにした。金属製積層造形材(3D-Metal)は，疲労強度が著しく低いことが実用化の障壁になっているが，本研究により3D-Metalの疲労強度向上が可能になり，3D-Metalの実用化に貢献した。