2020 Fiscal Year Research-status Report
Mechanistic study of impact penetration of two-dimensional materials due to high-velocity injection of nanoparticles
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20K20966
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| Research Institution | Chuo University |
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Principal Investigator |
米津 明生 中央大学, 理工学部, 教授 (40398566)
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2020-07-30 – 2023-03-31
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| Keywords | ナノ・マイクロ材料力学 / 衝撃貫通破壊 / 二次元原子薄膜 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では代表的な2次元材料である単層グラフェンに対するナノ細孔の加工技術を開発し，ナノポーラスグラフェンを創製することを目的とする．具体的にはナノ粒子を高速でグラフェンへ衝突させて貫通させることにより，ナノ細孔を形成させる．すなわち，ナノ粒子貫通の破壊現象を加工技術として用いる．
本年度はナノ粒子の射出のためのレーザーインパクト法を開発した．強力なパルスレーザーによるアブレーション源によってナノ粒子やマイクロ粒子を射出させる独自の技術であり，その速度は最高で500m/s以上に達することがわかった．2020年度は各レーザーエネルギーに対して，粒子が発射する表面，つまり発射台の面外変位速度をレーザー変位計で計測することで，暫定的に射出速度を算出した．その結果，レーザーエネルギーに対して比例的に変位速度が上昇することが分かり，再現性の良い粒子発射台を完成できた．
さらにマイクロ粒子を用いた検証により，金属材料の表面に対して高速なひずみ速度における塑性変形を誘起させることが可能となり，グラフェン貫通に対して十分な運動量を得ることができた．また，分子動力学計算（Molecular Dynamics Simulation：MD計算）を用いて，グラフェンに対してナノ粒子の高速な衝突破壊現象を計算力学的に再現することを可能とした．学会発表として「マイクロ粒子の高速衝突による塑性変形挙動」「分子動力学による高速飛翔ナノ材料のグラフェンへの貫通解析」などがある．
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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
計画とおり，装置開発が実施でき，おおよその性能も検証できた．
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度の進捗と計画に基づき，研究を進めていく予定である．具体的には，１）粒子射出のための装置の完成を目指す．ここでは，マイクロ粒子およびナノ粒子を再現良く射出できる技術を目指し，また粒子速度を計測することでナノ・マイクロスケールの衝突力学現象を解明するための情報を得る．そして，2)マイクロ粒子での性能検証のための金属材料の塑性変形研究を実施する．ここでは，バルク金属材料を予備試験片として，その高速変形挙動を調べることで高ひずみ速度域での材料構成則導出などの研究に発展しつつ，本技術の確立を目指している．つぎに３）ナノ粒子の配列に関する研究であり，射出前のナノ粒子の配列が，ナノポア生成の配置に大きく影響する．そして最後に４）ナノ粒子と単層グラフェンに関する研究を行う ことで本研究課題の達成を目指す．
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| Causes of Carryover |
真空用ポンプは，装置仕様の詳細決定が難しいため，新品導入ではなく既存装置の改良によって対応することで初期検討としての開発を進めた．
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