Theoretical investigation of surface chemical reaction in high temperature materials

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21H01607
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 26010:Metallic material properties-related
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: SAHARA RYOJI 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 構造材料研究センター, グループリーダー (30323075)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 成島 尚之 東北大学, 工学研究科, 教授 (20198394) ; 上田 恭介 東北大学, 工学研究科, 准教授 (40507901)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 計算材料科学 / 第一原理計算 / 耐熱材料 / 化学反応 / チタン / 表面酸化 / GW計算

Outline of Final Research Achievements

The purpose of this project is to control processing of materials development such as high-temperature oxidation and to contribute to appropriate selection of materials and its life prediction for heat-resistant materials. For the purpose, we theoretically elucidated the initial mechanisms of surface chemical reactions of heat-resistant materials such as titanium (Ti) alloys from the atomic and electronic levels by first-principles calculations based on density functional theory (DFT) and other methods. the main results obtained in the project are (1) systematic analysis of the effect of alloying elements on Ti surface oxidation, and (2) electronic structure analysis of light-element-doped titanium oxide (anatase) by all-electron GW calculations, and extension of this method to electronic excitation dynamics simulations.

Free Research Field

計算材料科学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

一般に耐熱材料は年単位という長期的な使用が想定されており、それに伴って実験や検証に時間がかかる。この短縮化のために、計算材料科学やデータ科学に基づき、巨視的な材料特性の起源を原子・電子レベルまでさかのぼって理論的に理解することは重要な課題である。しかしこの観点からの研究は極めて限定されている。本課題は、この問題を解決するため計算材料科学の観点から高温表面酸化をはじめとする材料プロセスと制御に着眼した際の、その根本原理は何かを明らかにすること、さらに、従来は計算の実行が困難であったあるいは実行できても精度が悪かった計算が実現できる新規モデル・計算手法を確立したことに、学術的・社会的意義がある。