2023 Fiscal Year Annual Research Report
3Dプリントを用いた軽量・衝撃吸収・形状記憶メタマテリアル開発
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22KJ2067
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
鐘ヶ江 壮介 大阪大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2023-03-08 – 2024-03-31
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| Keywords | メカニカルメタマテリアル / bistable / 有限要素法 / 大変形 / 異方性 / バイメタル / マルテンサイト変態 / 弾性ひずみエネルギー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、材料科学の原子レベルの知見を格子構造設計に応用し、その物質が本来有さない特性を発現させる、新しいメタマテリアル創製手法の確立を目指した。原子の振る舞いを模倣した格子構造制御として、相転移するセル状材料（Phase Transforming Cellular Material: PXCM）に注目し、超弾性や形状記憶特性を示すと期待される格子構造の新しい設計指針の獲得に成功した。
多軸PXCMの開発で、擬似的な相転移と双安定性を実現し、FEMシミュレーションでその挙動を確認した。さらに、三次元FEMシミュレーションにより、多軸PXCMの異方性と大変形挙動を解析し、<111>方向にbistabilityを示す設計が他の方向にも可能であることが示唆された。また、多軸PXCMは<111>方向にスナップスルーする際に、変形中の弾性ひずみエネルギーが小さくなるよう<112>方向に変形経路を変更してスナップスルーすることが明らかになった。
また、マルテンサイト変態を模倣するメタマテリアル（Martensitic Phase Transforming Metamaterial: MPXM）として、せん断変形によって相転するメタマテリアルと温度変化によって相転移するメタマテリアル熱誘起PXCMを開発した。MPXMはせん断変形によって2つの安定な状態間を可逆的に遷移した。マルテンサイト相変態のせん断変形過程におけるせん断ひずみに伴う弾性ひずみエネルギー変化を定式化した。これにより、新たな力学メタマテリアルの開発が進み、熱誘起マルテンサイト変態や形状記憶効果などの応用が期待される。熱誘起PXCMの安定状態と境界条件をFEMシミュレーションで解析し、その状態図を作成してメタマテリアルの特性制御を容易にした。
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