Fundamental research in possibility of ceramics welding on the basis of in situ formation from mantle material to lava with high power laser

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K05122
• Research Institution: Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology
• Principal Investigator: 川人 洋介 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 付加価値情報創生部門, 上席研究員 (70379105)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 伊藤 元雄 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 超先鋭研究開発部門(高知コア研究所), 調査役 (40606109) ; 嶋根 康弘 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 超先鋭研究開発部門(超先鋭研究プログラム), 准研究副主任 (40638251) [Withdrawn] ; 松井 洋平 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 超先鋭研究開発部門(超先鋭技術開発プログラム), 特任技術副主任 (90756199) [Withdrawn] ; 鄭 美嘉 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 付加価値情報創生部門, 特任研究員 (00846438) ; 真砂 啓 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 付加価値情報創生部門, 特任研究員 (70510551)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: レーザその場溶岩生成 / マントル物質 / セラミックス / レーザ溶接

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、レーザ加熱によるマントル物質の溶融挙動の解明に基づき、高出力レーザを用いた汎用的な新セラミックス溶接法の創出に挑戦する。今年度は下記の研究課題について実施した。
①セラミックスの局所溶融部を生成するその場溶岩生成手法の設計：実験的・理論的な手法によりレーザ加熱時の局所溶融現象の解明を試みた。実験的には、窒化ケイ素や酸化アルミニウムのレーザ加熱について、大型放射光SPring8の高出力・高品質X線の位相強調を用いて局所溶融現象のその場観察を行った。その結果、局所溶融現象が起こると同時に、その周辺部から破壊が発生することが観測された。一方、理論的には、我々が独自開発した数値解析粒子法をOpenMPとMPIとのハイブリッド並列高速化により、2021年度より7.6倍程度の高速化を達成し、1000万粒子程度の数値計算を行った。その結果、高出力レーザによる標準的な局所溶融現象で2000 K/ 0.1 mm程度の局所的な温度勾配が生じることが明らかになった。これらの結果から、局所溶融部の周辺では熱応力による破壊過程が発生することが推察され、これが材料と条件を限定する要因になることがわかった。故に、高出力レーザによる汎用的なセラミック溶接法の設計には、局所溶融部周辺の熱応力による破壊過程を排除または緩和する機構が必須であることが示唆された。
②高出力レーザを用いた新セラミックス溶接の可能性探索：汎用的で広い分野におけるセラミックス溶接を実現するためには、マントル物質の一体化機構の解明による知見（あらゆる物質の接合の可能性を秘めている物質は酸素）および①の設計に基づき、所定の溶接位置に局所溶融部を形成する溶接法の可能性を探索した。その為の治具を作製し、研究対象をSi3N4から変更し、ガラス質SiO2をAl2O3に混ぜたセラミック（マシナブルセラミックス）を採用し、実施することにした。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

コロナ蔓延およびウクライナ侵攻により、半導体材料であるセラミック製造が減産または一時停止した為、マシナブルセラミックスの入手が困難になった（自然災害によるもの）

Strategy for Future Research Activity

マシナブルセラミックスを入手し、汎用的で広い分野におけるセラミックス溶接を実現するために局所溶融部を形成する溶接法の可能性を探索する。

Causes of Carryover

次年度使用額が生じた理由：コロナ蔓延およびウクライナ侵攻により、半導体材料であるセラミック製造が減産または一時停止した為、マシナブルセラミックスの入手が困難になった（自然災害によるもの）
使用計画：マシナブルセラミックスを購入し、必要な実験を実施する。