2023 Fiscal Year Annual Research Report
Fabrication of Ultra-Strong Glasses via Spatiotemporal Dissipative Structure of Singular Stress Field
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21K18837
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
篠崎 健二 大阪大学, 大学院工学研究科, 准教授 (10723489)
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| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2024-03-31
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| Keywords | ガラス / ナノ構造 / 力学 / 破壊靭性 / 延性 / SPS焼結 / ゾルゲル法 / 有限要素法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ガラスの破壊は未だに解決しないガラスの応用可能性を狭めている未解決の大きな障壁である。ガラスは理論的には高強度であるが応力集中のため容易に破壊する。発生応力を低減したり応力集中を抑制すれば、ガラス本来の高い強度に近づけられると期待される。本研究課題ではガラスのき裂先端に生じる応力集中を低減することで高靭性なガラスを実現することを目指した。
本申請研究を通して、ガラス中に適切な異材分散させることで破壊靭性を高めたり、き裂体制を高めることができることを明らかにした。特に、金属ナノ粒子分散は効果的に働き、1%以下の添加量でも破壊靭性を数倍に向上させることができることを明らかにした。このメカニズムについて検討を行い、分子動力学シミュレーションや有限要素法シミュレーションなどの計算機的手法と、TEMを用いたき裂先端の形態観察やトモグラフィーなどの観察的手法、微小押し込み試験やマイクロカンチレバー試験、マイクロピラー圧縮試験などの様々な力学実験手法での実証を試みた。その結果、ガラスに延性が若干賦与されており、塑性ひずみエネルギーが向上し応力集中が低減することで破壊靭性が大幅に向上していることが明らかになった。従来のガラスではほぼ純粋な弾性体として破壊し、破壊表面エネルギーに比べ塑性ひずみエネルギーは無視できる程度であるが、本課題で開発したガラスでは破壊表面エネルギーの数倍の塑性ひずみエネルギーを示した。この成果は、本来弾性体であるガラスの塑性ひずみエネルギーを高めるという新しい材料設計の指針を示すものと期待している。
また、社会実装に向けて、様々な合成手法への展開にも取り組んだ。溶融急冷やSPS焼結を用いたバルク合成のほか、ゾルゲルコーティングや表面処理によるナノ粒子析出なども行った。いずれにおいてもガラス膜の破壊靭性を大幅に高められることを実証した。
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