2012 Fiscal Year Research-status Report
第一原理分子動力学計算を用いた白金族希少元素フリー耐熱コーティングの開発
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24710084
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Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
ウー ラダー 独立行政法人物質・材料研究機構, その他部局等, 研究員 (90544560)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2015-03-31
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| Keywords | 国際情報交換 イギリス / 国際情報交換 台湾 / 第一原理分子動力学法 / 元素戦略 / 耐熱・遮熱コーティング |
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| Research Abstract |
発電ガスタービンやジェットエンジンの運航時の高効率化で、大幅に燃料消費抑制、CO2 排出削減の両観点から、従来よりも耐酸化性の高いコーティングが求められ、希金属・白金元素を更に添加することが要求されている。しかし、特定の地層にppm オーダーしか含まれない白金資源の採掘には、大きな環境破壊が伴い、自給率が乏しい日本にとって、基幹産業を支える高付加価値な部材の原料供給リスクという問題がある。代替材料の最適な組成を決定する。材料の高温特性を決める稀金属及び白金資源の役割を理解し、価電子濃度などの構築による代替元素が創出されると、稀金属及び白金資源の完全代替材料や使用量の大幅低減技術開発を加速することができ、大きな学術的な波及が確立できる。
研究代表者はNose－Hoover法に基づいて、第一原理分子動力学法で化合物の添加による界面における誘起反応を評価し、白金の添加にり（Al 原子をPt 原子と置換する）界面の結晶構造が大きく変化する変わる。特に結晶構造が添加元素の価電子濃度に大きく依存することが分かってきた。
白金系耐熱機能コーティングに比べてHf、Pt、Irなどの高価な金属の使用量の大幅低減したコストパフォーマンスの高い新たなコーティング材料が実用化すれば、このような従来の先端コーティング材料を民間産業に応用し、その普及による燃費向上・CO2削減効果を拡大させることが可能となる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
Ni-Al-(0%, 5%, 10%, 15%Pt)三元系材料を評価し、白金元素の添加により、生成した酸化層のミクロ組織から界面の原子配列至るまで、耐酸化性機能向上メカニズムを解明してきた。そして、繰返し酸化試験で耐熱機能材料（コート）/トップコート/基材界面の密着性、コーティングシステムの耐久性も調査しました。
第一原理分子動力学シミュレーションの結果では、白金の添加により（Al 原子をPt 原子と置換する）界面の結晶構造が大きく変化する。高温酸化界面(Ni,Pt)3Al/Al2O3の密着性などの変化も計算し、酸化界面における添加元素（白金）の誘起反応を解明してきた。特に結晶構造が添加元素の価電子濃度に大きく依存することが分かってきた。
現在は電子の足し算の理論を用い、元素の化学反応性は原子内の核外電子の状態で決まる理論に基づき、原子をいくつか組み合わせた化合物は、希金属・白金元素と相似の化学的な性質をもつ、稀少元素と同様な誘起反応が再現できる代替元素の探索を行っている。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究価電子10個の代替材料に対し、第一原理分子動力学法で化合物の添加による界面における誘起反応をさらに深く評価し、稀少元素と同様な誘起反応が再現できる代替元素の探索を行い、最適な組成を決定する。
そして、有効と検証された代替材料はとしての化合物の溶射用粉末を作製し、基材上にプラズマ放射によって施工する。更にコーティングシステムとして施工し、繰返し酸化試験（1100°C・１時間）及びコーティング/基材界面の密着性を含む実証試験を実施する。実際に施工したコーティングシステムにおいて酸化抑制の有無を検証し、耐熱機能材料（コート）/トップコート/基材界面の密着性、コーティングシステムの耐久性を調査する。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
研究費の使用計画としては、第二年度に代替材料の探索と作製をを集中的に行うため、溶射用粉末を作成し、実証試験を施工する。これらの工程は比較的高額な予算を必要とする。
そして、研究活動の推進に係る必要経費として、研究支援者等の人件費が含まれ。また第二年度から、国内外の学会において論文発表を行うため、これに関する旅費が想定される。
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