2020 Fiscal Year Research-status Report
Development of super high-density Cerium-based bulk metallic glasses
Project/Area Number |
20K14372
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Research Institution | Tokyo Gakugei University |
Principal Investigator |
Zhao Yong 東京学芸大学, 教育学部, 研究員 (20866230)
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Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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Keywords | 金属ガラス / セリウム / 陽電子 / 高密度ガラス状態 |
Outline of Annual Research Achievements |
セリウムやジルコニウムなどの金属元素で構成される金属ガラスは,周期性を持たないことに起因する機械的特性,磁性金属元素に起因する磁気特性など,近年様々な分野で注目されているガラス材料である。金属ガラスは合金であるため,高密度化が実現されれば,プラスチックを凌駕する機能発現が期待できる。しかしながら,金属ガラスは熱的に準安定状態にあるため,高密度ポリエチレンのようにガラスマトリックス中に結晶化した領域を導入しようとすると即座に結晶化し,ガラス構造を維持することができない。本研究ではこれまでの視点を変えて,局所的に高密度である高い第二のガラス凝集体に着目する。高密度セリウム系金属ガラスを開発するために,ガラスマトリックス中に高密度ガラス凝集体を導入することを試みる。溶媒元素としてセリウムを用いた多元系金属Ce-Ga-Cu-(Ni)母合金を,アーク溶解により作成する。作成した複数の母合金を液相から急冷し,金属ガラスを得る。ガラス状態の生成は,X線回折(XRD)法を用いて確認する。ガラス転移温度と結晶化温度は示差走査熱量測定(DSC)により調べる。一連の陽電子消滅法を推進し,凝集したガラス状態を実験的に評価する。次に第一原理計算により,セリウム原子サイズの観点からより凝集したガラス状態の発現可能性を議論する。これらのデータを基に,上で議論した高密度ガラス状態をガラスマトリックス中に導入する条件を探索する。初年度にあたる2020年度は,三元系Ce-Ga-Cuと四元系Ce-Ga-Cu-Niについて,様々な組成のセリウム系金属ガラスを作成した。幾つかの試料については,5ミリメートルサイズの良質なバルク材料を得ることができた。加えて,XRDその場測定と高分解能熱膨張計測により,結晶化挙動についても幾つかの知見を得ることができた。
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Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究課題の内容は,大きく分けてセリウム系金属ガラスの作成と調整, X線回折(XRD)実験,示差走査熱量測定(DSC)による熱物性評価,一連の陽電子消滅実験による高密度ガラス状態の実験的探索と第一原理計算による理論的考察である。初年度に当たる2020年度は,様々な組成のセリウム系金属ガラスを作成した。三元系Ce-Ga-Cuと四元系Ce-Ga-Cu-Niについて,アルゴン雰囲気中でアーク溶解により母合金を作成した。作成した複数の母合金を液相から急冷し,金属ガラスを得た。作成した試料は典型的なXRDハローパターンを示し,ガラス状態であることを確認した。幾つかの試料については,5ミリメートルサイズの良質なバルク材料を得ることができた。さらに,幾つかの金属ガラスについて,結晶化挙動を調べるために,XRDその場測定と高分解能熱膨張計測を推進した。熱膨張測定により得られた長さ変化の時間依存性から,熱処理初期に熱膨張による体積膨張を示し,その後過冷却温度領域に入ると,軟化により急激に収縮することがわかった。セリウム系金属ガラスでは,ある時期において体積収縮による減少から上昇に転じた。一方で,ランタン系金属ガラスではこのような特異的な時間変化は示さなかった。セリウム系金属ガラスで見られた長さ時間変化は結晶化に伴う体積の増加を示しており,通常の金属ガラスと結晶化が異なることを示唆している。以上より,当初予定していたセリウム系金属ガラスの作成と調整, XRD実験は順調に進んだと言える。加えて,結晶化についても幾つかの知見を得ることができた。現在までの達成度は,計画以上に進展していると判断する。
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Strategy for Future Research Activity |
2021年度以降は,作成したセリウム系金属ガラスについて,示差走査熱量測定(DSC)による熱物性評価を推進する。次に,セリウム系金属ガラスについて,陽電子消滅実験を推進する。ここでは,陽電子が消滅するサイトの電子密度の情報を得るために,陽電子寿命測定を行う。併せて消滅サイトの元素情報を得るために,同時計数ドップラー拡がり測定も行う。二つの陽電子消滅実験のデータを基に,高密度ガラス状態に関連した局所構造を実験的に考察する。加えて,第一原理計算を推進する。ここでは,ガリウムを含むセリウム系多元系金属ガラスにおいて,ガリウムのchemical pressureが非局在化したセリウム4f軌道を誘起することに着目する。4f軌道の非局在化の効果により,凝集体中でセリウム間距離が減少し,高密度セリウムガラス凝集体が第二のガラス状態として発現する可能性を調べる。これらのデータをもとに,高密度ガラス状態がガラスマトリックス中に導入される条件を探し出す。平行して,ガラス転移温度と結晶化温度を明確にし,glass forming ability(ガラス形成能)に関する知見を得る。その一方で,ガラス状態を維持するために重要なファクターは熱物性データ以外にも様々ある。本研究課題では,結晶化挙動における不純物の影響,micro alloying効果,元素間の化学的親和性の効果,さらには室温での長期緩和過程の影響にも言及する予定である。
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Causes of Carryover |
業者の割引により,僅かに差額が生じた。翌年度に消耗品等に使用する予定である。
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