金属ガラス主成分元素をターゲットとした超高温液体の高確度構造解析

• Project/Area Number: 20H02496
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 26060:Metals production and resources production-related
• Research Institution: Hakodate National College of Technology
• Principal Investigator: 水野 章敏 函館工業高等専門学校, 一般系, 准教授 (10348500)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 正木 匡彦 芝浦工業大学, 工学部, 教授 (00360719) ; 尾原 幸治 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 回折・散乱推進室, 主幹研究員 (00625486) ; 小原 真司 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 先端材料解析研究拠点, 主幹研究員 (90360833) ; 寺門 修 函館工業高等専門学校, 物質環境工学科, 准教授 (90402487)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000); Fiscal Year 2022: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2021: ¥9,620,000 (Direct Cost: ¥7,400,000、Indirect Cost: ¥2,220,000); Fiscal Year 2020: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000)
• Keywords: 高融点金属融体 / 放射光X線 / 液体構造解析 / 無容器浮遊法 / 液体金属 / 高温融体 / 液体構造 / 放射光X線回折 / 過冷却液体 / バルク金属ガラス

Outline of Research at the Start

本研究では、1000 Kから3700 Kを超える超高温域において高融点金属液体の原子配置を精確に決定し、液体構造と金属ガラス形性能の関連に基づいた機械学習による金属ガラス材料開発へ発展させる。具体的には、遷移元素およびランタノイドについて、放射光X線と無容器浮遊法を用いて系統的に精密液体構造解析を実施し、液体構造情報を一元管理する。また、高確度かつ高精度な構造データの利点を活かし、原子間の相互作用および巨視的物性との関連を明らかにする。特にバルク金属ガラスの主成分元素を対象とし、取得・整備した液体構造情報をもとに単体のガラス形成能が著しく低くなる要因を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、3000℃を超える超高温域において高融点金属液体の原子配置を精確に決定し、液体構造と金属ガラス形性能の関連に基づいた機械学習による金属ガラス材料開発へ発展させることを目的としている。
今年度は、無容器浮遊法を用いた放射光X線回折実験による精密液体構造解析へ向けた準備を進めた。従来の実験装置では3000℃以上の温度領域の温度計測が不可能なため、新規に放射温度計を購入し、3500℃までの温度計測を可能とした。また、高融点金属の液体構造計測のため、次年度における放射光施設の課題実験に採択され、実験実施へ向けて無容器浮遊装置の改良を実施した。特に、2000℃を超える高温融体においては、単に不活性ガス雰囲気にするだけでは、わずかに進む酸化反応を抑えるには不十分であるため、高純度ガス用酸素除去フィルターの導入などをはじめとした対策を施した。すでに融点が1500℃を超す数種類の高融点金属の融解および安定浮遊には成功している。
近年において非晶質材料をはじめとした構造解析手法として注目を集めている位相幾何学的な手法をこれまでに得られている液体金属の構造情報に適用し、液体鉄と液体シリコンにおいてそれぞれの構造特性の抽出を可能としたため、今後は積極的に本解析手法を取り入れる予定である。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

新型コロナ感染症への対応により放射光実験施設における課題実施件数の制約のため、申請課題は補欠課題として採用されたものの実験実施に至らなかった。したがって、新たな高融点金属の構造情報の取得ができていない。

Strategy for Future Research Activity

2021年度の放射光実験の課題実験として申請課題が採択されており、実験実施に向けて準備を進めている。
また、2021年度においては、高出力ファイバーレーザーの購入を計画しており、金属試料のレーザー吸収率を高めることにより3000℃以上の高融点金属の融解を達成する。したがって、これまで構造データが取得されていない金属試料について、その液体構造を明らかにする予定である。
放射光実験においては、これまで利用してきたビームラインよりも100倍程度高強度の放射光X線を見込めるビームラインにて実験を実施することにより、短時間での計測を可能とする。