Elucidation and modeling of successive fragmentation cascade of metal droplets
| Project/Area Number |
21H01251
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 19010:Fluid engineering-related
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
井上 智博 九州大学, 工学研究院, 准教授 (70466788)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
王 振英 九州大学, 工学研究院, 助教 (20896633)
高橋 厚史 九州大学, 工学研究院, 教授 (10243924)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥17,810,000 (Direct Cost: ¥13,700,000、Indirect Cost: ¥4,110,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2021: ¥10,530,000 (Direct Cost: ¥8,100,000、Indirect Cost: ¥2,430,000)
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| Keywords | 液体金属 / 液滴 / 熱物質拡散 / 連鎖分裂 / 表面張力 / 可視化 / 数理モデル / 凝縮相 / 元素分析 / 高速可視化計測 / 分裂 / 連鎖現象 |
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| Outline of Research at the Start |
気液界面を有する液滴は，1度の分裂しか経験しないという従来の流体工学的な制約により，微細噴霧を生成する際のエネルギー効率は，わずか1%にも満たない．対して本研究は，成長著しい金属粉末製造技術へ応用すべく，流体工学上の新現象である，液滴が分裂を繰り返す『連鎖分裂』を対象として，現象を律速する未知の機構を，高速度可視化とX線分析を組み合わせた複合的アプローチにより実験的に探究するとともに，体系的な数理モデルを開発することが主眼である．特に，溶融した金属液滴の表面から雰囲気が内部に浸透する物質拡散過程を新たに考慮することで，『物質拡散に律速された自己相似的な連鎖分裂カスケード』の全貌を解明する．
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| Outline of Annual Research Achievements |
気液界面を有する液滴は，1度の分裂しか経験しないという従来の流体工学的な制約により，微細噴霧を生成する際のエネルギー効率は，わずか1%にも満たない．対して本研究は、成長著しい金属粉末製造技術へ応用すべく，液滴が分裂を繰り返す『連鎖分裂』を対象として，現象を律速する未知の機構を，高速度可視化とX線分析を組み合わせた複合的アプローチにより実験的に探究するとともに，体系的な数理モデルを開発することが主眼である．
本年度は，鉄およびチタン液滴内部における物質拡散現象が連鎖分裂の律速過程であることを証明するために，FIB（FEI Versa 3D）および研磨装置を用いて，露出させた金属粒子の断面を，走査型電子顕微鏡で観察しながら，構成物質の分布をEDX（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy）でマッピングすることで，粒子内層にまで雰囲気酸素が浸透する直接的な証拠を得ることに成功した．その結果，酸素の浸透層で気泡が発生することが分かり，連鎖分裂の律速過程が物質拡散であることを直接的に証明した．
並行して，前年度までに得られた一連の高速度可視化計測と，定量的ミクロ観察の結果を統合することで，雰囲気が液滴内部に浸透する物質拡散律速の連鎖分裂カスケードを記述する数理モデルを完成させた．構築した数理モデルは，これまでの可視化結果を合理的に説明できることから，連鎖分裂によって効率的に微粒子生成を行う原理的な成立性を確認した．
これら，金属液滴の連鎖分裂機構を解明した本年度の成果を国内外の学会で発表し，査読付き論文を掲載するなど重要な成果を上げた．なお，他金属種の連鎖分裂機構の解明は課題として残されている．
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| Research Progress Status |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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Report
(3 results)
Research Products
(64 results)
