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2022 Fiscal Year Annual Research Report

Preparation of negative thermal expansion materials having two shrinkage mechanisms and evaluation of that heat shrinkage mechanism

Research Project

Project/Area Number 21H01618
Research InstitutionTokyo Institute of Technology

Principal Investigator

磯部 敏宏  東京工業大学, 物質理工学院, 准教授 (20518287)

Project Period (FY) 2021-04-01 – 2024-03-31
Keywords熱膨張 / 相転移 / 結晶構造解析 / フィラー / 元素置換 / コールドシンタリング
Outline of Annual Research Achievements

昨年度のメカニズムの解明に関する検討を通じて、Zr2SP2O12の熱膨張率はZrサイトを元素置換することでより低下させる(高機能化)させることが可能と結論づけ、Zr2-xMxSP2O12を複数した。今年度は、これらの物質の熱膨張率を測定した。フレームワークモデルで収縮する303~373 Kで最も体積熱膨張率が低かった組成は、M=Y(イットリウム)、x=0.3であり、その値は約-27.2 ppm/KとZr2SP2O12より約18%低かった。本組成は、453~673 Kでも約-16.2 ppm/KとZr2SP2O12の体積熱膨張率(-14.8 ppm/K)より低かったことから、広い温度域で、高機能化できるとわかった。M=Nb(ニオブ)、x=0.6も303~373 Kで-23.6 ppm/K、453~673 Kで約-23.3 ppm/Kと同様に高機能化に成功した。一方、イットリウムと同じ3価のAl(アルミニウム)を置換した物質では、あまり熱膨張率に変化が見られなかった。このことから、フレームワークモデルで収縮には、イオン半径が影響すると考えられた。また、これらの元素置換は373~453 Kの相転移にも影響した。これは、Zrイオンが相転移に大きく関与することが示唆された。
また、結晶構造解析から熱膨張率の算出はできたものの、それ以外の熱的性質や、電気的性質は未解明である。これらの解明にはZr2SP2O12の焼結体を作製する必要があるが、高温で分解するZr2SP2O12の焼結体の作製は極めて困難である。今年度は、コールドシンタリング法の装置を自作した。その装置を用いて、Zr2SP2O12の緻密化に取り組んだところ、相対密度約90%のZr2SP2O12を得ることに成功した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

昨年の検討結果をもとにフレームワークモデルに影響を与えるZr元素を部分置換することで、高機能化することに成功したため。また、Zrが相転移のキーとなることも示唆されたことから、メカニズムの解明に大きく前進できたため。また、材料の基本的な性質である電気的性質や機械的性質を測定するためには、バルク体の作製が必要となるが、コールドシンタリング法が有効であると見出すことができ、また、その装置の組み立てに成功したため。

Strategy for Future Research Activity

今年度検討できなかった元素をZrサイトに置換することで、広い温度域と巨大な熱収縮を併せ持つ物質を創製に取り組む。また、コールドシンタリング法によりバルクのZr2SP2O12を作製し、その電気的性質、機械的性質を評価する。さらに、Zr2-xMxSP2O12についても、電気的性質、機械的性質を評価することで、元素置換が電気的性質、機械的性質に与える影響を考察する。

  • Research Products

    (7 results)

All 2023 2022

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results) Presentation (6 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 2 results)

  • [Journal Article] Effect of aliovalent substitution on the crystal distortion and negative thermal expansion properties of Zr2SP2O122023

    • Author(s)
      Ryosuke Uehara, Ryo Kaneda, Takahiro Takei, Nobuhiro Kumada, Sachiko Matsushita, Akira Nakajima, Toshihiro Isobe
    • Journal Title

      Ceramics International

      Volume: - Pages: -

    • DOI

      10.1016/j.ceramint.2023.04.048

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 第一原理格子動力学に基づくNASICON型構造における負熱膨張性の機構解析2023

    • Author(s)
      望月 泰英, 金田 涼, 裵 星旻, 永井 隆之, 磯部 敏宏, 松下 祥子, 中島 章
    • Organizer
      日本セラミックス協会2023年年会
  • [Presentation] コールドシンタリング法によるZr2SP2O12焼成体の作製とその性質2023

    • Author(s)
      油野剛志, 有光直樹, 望月泰英, 松下祥子, 中島章, 森吉千佳子, 武井貴弘, 熊田伸弘, 磯部敏宏
    • Organizer
      日本セラミックス協会2023年年会
  • [Presentation] 計算・実験を通じたNASICON型構造における負熱膨張性の機構解析2022

    • Author(s)
      望月 泰英, 金田 涼, 裵 星旻, 磯部 敏宏, 松下 祥子, 中島 章
    • Organizer
      第32回日本MRS年次大会
  • [Presentation] 2つの収縮メカニズムを有するα-Zr2SP2O12の合成とその熱膨張挙動2022

    • Author(s)
      磯部敏宏
    • Organizer
      粉体粉末冶金協会2022年度秋季大会(第130回講演大会)
    • Invited
  • [Presentation] Negative thermal expansion in α-Zr2SP2O122022

    • Author(s)
      Toshihiro Isobe
    • Organizer
      The 95th JSCM Anniversary Conference
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Zr2SP2O12焼成体の作製に向けたコールドシンタリング装置の作製2022

    • Author(s)
      油野 剛志, 望月 泰英, 有光 直樹, 松下 祥子, 中島 章, 磯部 敏宏
    • Organizer
      粉体粉末冶金協会2022年度秋季大会(第130回講演大会)

URL: 

Published: 2023-12-25  

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