Fabrication of Ultra-Strong Glasses via Spatiotemporal Dissipative Structure of Singular Stress Field

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21K18837
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 26:Materials engineering and related fields
• Research Institution: Osaka University (2022-2023); National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (2021)
• Principal Investigator: Shinozaki Kenji 大阪大学, 大学院工学研究科, 准教授 (10723489)
• Project Period (FY): 2021-07-09 – 2024-03-31
• Keywords: ガラス / 破壊靭性 / ナノ粒子 / 応力集中 / ナノ力学 / 延性賦与 / 脆性ー延性転移 / ナノインデンテーション

Outline of Final Research Achievements

Glass cracking is an unsolved material issue that has become a social problem. We have proposed the dissipation of singular stress field by imparting ductility to glass as a new approach to improve toughness that is unlike conventional composite or chemical/physical strengthening approaches. For example, we proposed that the dispersion of metal nanoparticles, even with a very small amount of metal nanoparticles (0.5 vol%), can improve fracture toughness by inducing plasticity and reducing the stress concentration at the crack tip by plastic deformation. Through this research, we succeeded in enhancing the fracture toughness by a factor of three, and achieved the best fracture toughness in the world with a very small amount of additives in a process that is suitable for large scale and mass production to a certain extent.

Translated with DeepL.com (free version)

Free Research Field

無機材料工学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

材料組織に力学的不均質性を導入することで材料の靭性や強度が向上することを提示した。これはガラスのみならず、様々な材料において強い材料を開発する道筋を提示する者である。さらに，産業上、社会上もガラスの割れの問題は大きい。本課題により提示された高靭性ガラスは、従来のアプローチによるガラス物性の限界を突破するものであり、われの根本的解決につながると期待される。ガラスの軽量化を加速し、モバイルや車両などのさらなる軽量化を加速するだけでなく、機械加工性の向上なども期待され、ガラスが使える場面が広がり部材のロングライフサイクル・リユース・リサイクル性向上などを通してSDGsにも貢献することが期待される．