2015 Fiscal Year Annual Research Report
レアイベント計算技術を基盤とした相変態ナノキネティクスの解明
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25420007
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| Research Institution | Chiba Institute of Technology |
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Principal Investigator |
原 祥太郎 千葉工業大学, 工学部, 准教授 (10401134)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | ナノ材料 / 分子動力学 / レアイベント / 相変態 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成27年度は引き続き，固体酸化物形燃料電池の電解質材料であるイットリア安定化ジルコニア（YSZ）のcubic相からtetra相への相変態現象を対象に，平成26年度までに基盤開発を行ったレアイベント法による原子スケール解析を実施した．まず解析から得られる活性化障壁をなるべく正確に求めるため，計算セルサイズの影響を検討した．また，バイアスポテンシャル構築に不可欠となるポテンシャルパラメータの設定について，詳細なパラメータ調査を行い，相変態経路を導出しやすいパラメータがあることを見出した．つづいて，ドーパント材が相変態に及ぼす効果を原子スケールから明らかにするため，イットリウム以外に実用上重要となるスカンジウムドーパント材について同様の解析を実施した．その結果，スカンジウム安定化ジルコニア（SSZ）の方が相変態の活性化エネルギーが高く，YSZに比べ相変態しにくい，という結果が得られ，実験と傾向が一致することを確認した．この違いの要因を明確にするため，酸素空孔とドーパントとの相互作用の影響，酸素空孔の自己拡散に関する分子動力学解析を別途行い，酸素空孔の拡散しやすさと相変態のしやすさに相関があることを見出した．ドーパント材の濃度は，相変態現象に強い影響を及ぼすことが知られている．ただし，ドーパント材はジルコニア内での陽イオン拡散や表面析出を通して，その空間的分布が複雑となるため，相変態のしやすさも表面やバルク内部によって異なることが予想される．そこで本研究では，分子動力学法を用いてドーパント材の空間的分布を調査した．結果，ジルコニア表面ではバルクに比べドーパント濃度が非常に高くなること，またその平衡濃度はドーパントの価数や酸素空孔濃度と強い相関があることを見出した．
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