デジタル複合構造により巨大電気磁気効果を発するマルチフェロイック材料の設計と創製

• 研究課題/領域番号: 17H03151
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 機械材料・材料力学
• 研究機関: 大阪工業大学
• 研究代表者: 上辻 靖智 大阪工業大学, 工学部, 教授 (00340604)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 17,940千円 (直接経費: 13,800千円、間接経費: 4,140千円); 2021年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2020年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円); 2019年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円); 2018年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円); 2017年度: 10,010千円 (直接経費: 7,700千円、間接経費: 2,310千円)
• キーワード: 機械材料・材料力学 / 機能材料 / マルチスケール解析 / 電気磁気効果

研究成果の概要

次世代新規デバイス開発の核となるマルチフェロイック材料の電気磁気効果を飛躍的に向上することを目的とし，スケール連成に均質化理論，極値探索に最急降下法を採用した独自のマルチスケール最適設計法を構築し，数値解析主導の材料開発を実現した．代表的な強誘電体2種と強磁性体2種を採用し，電気磁気効果が最大となる最適化デジタル構造を探索した結果，4通りすべての材料組合せに対して，従来の均一配向積層構造を超える新しいデジタル構造を発見した．デジタル構造の創製に対して，圧粉・焼結法，スパッタ法と比較し，熱溶解積層方式の３Dプリンティングの有効性を確認したほか，最適化方法および構造体について特許出願した．

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究において，材料と結晶方位の不均質構造を積極的に活用し，巨大な電気磁気効果の発現に成功したことは世界初の成果である．特に，マルチフィジックス・マルチスケール最適設計法を独自に開発し，経験的知見に頼らない数値解析主導での材料開発，すなわちデジタル複合構造の有効性を明らかにしたことは画期的である．発見したデジタル複合構造においてせん断変形を伴う効率的なひずみ伝達によって巨大な電気磁気効果が生まれるメカニズムを解明しており，学術的意義は高い．さらに，3Dプリンティングへの展開も含め，デジタルものづくりの技術革新の一例として社会的意義も有する．

研究成果

• [雑誌論文] Multiscale optimization of magnetoelectric composite materials - Effect of material combination (2022)
  • 著者名/発表者名: Sano Fumiya、Uetsuji Yasutomo
  • 雑誌名: Composite Structures 巻: 290 ページ: 115500-115500
  • DOI: 10.1016/j.compstruct.2022.115500
  • 査読あり
• [雑誌論文] Computational study on microstructural optimization of magnetoelectric composite materials (2020)
  • 著者名/発表者名: Yasutomo Uetsuji, Takeshi Wada
  • 雑誌名: Computational Materials Science 巻: 172 ページ: 109365-109365
  • DOI: 10.1016/j.commatsci.2019.109365
• [雑誌論文] Multiscale numerical study on origin of magnetoelectric effect in view of localization of microstructural strain field for multiferroic composite materials (2019)
  • 著者名/発表者名: Yasutomo Uetsuji, Takeshi Wada, Kazuyoshi Tsuchiya
  • 雑誌名: Computational Materials Science 巻: 158 ページ: 159-169
  • DOI: 10.1016/j.commatsci.2018.11.017
  • 査読あり
• [雑誌論文] マルチフェロイック複合材料の微視構造と材料組合せに関するマルチスケール数値解析研究 (2019)
  • 著者名/発表者名: 福井翔大，上辻靖智
  • 雑誌名: 材料 巻: 68 ページ: 697-703
  • NAID: 130007709606
  • 査読あり
• [雑誌論文] Statistical investigation of homogenized physical properties of polycrystalline multiferroic composites materials (2017)
  • 著者名/発表者名: Yasutomo Uetsuji, Takeshi Wada, Kazuyoshi Tsuchiya
  • 雑誌名: Acta Mechanica 巻: ? 号: 4 ページ: 1-15
  • DOI: 10.1007/s00707-017-2018-x
  • 査読あり
• [雑誌論文] Computational and experimental investigation of the crystal orientation control effect on the electric permittivity and magnetic permeability of multiferroic composite materials (2016)
  • 著者名/発表者名: Yasutomo Uetsuji, Takeshi Wada, Yasuyuki Uekita, Jiro Terada, Kazuyoshi Tsuchiya
  • 雑誌名: Acta Mechanica Web公開中であるが，発刊時の巻および頁は未定． 巻: 未定 号: 8 ページ: 2879-2893
  • DOI: 10.1007/s00707-015-1526-9
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] 電気磁気複合材料のマルチスケール最適設計に及ぼす材料組み合わせの影響 (2022)
  • 著者名/発表者名: 佐野史弥、上辻靖智
  • 学会等名: 日本材料学会 第13回日本複合材料会議（JCCM-13）
• [学会発表] 3Dプリント圧電粒子分散高分子複合材料の機能特性評価 (2022)
  • 著者名/発表者名: 山本夏海、井出康太、青木憲治、上辻靖智
  • 学会等名: 日本材料学会 第13回日本複合材料会議（JCCM-13）
• [学会発表] Micorstructural optimization of magnetoelectric ceramic composites (2021)
  • 著者名/発表者名: Fumiya Sano, Yasutomo Uetsuji
  • 学会等名: International Conference on Functional Material Applications 2021
  • 国際学会
• [学会発表] 3Dプリンテッド圧電セラミック粒子分散高分子複合材料のマルチスケールシミュレーション (2021)
  • 著者名/発表者名: 山本夏海，上辻靖智
  • 学会等名: 日本機械学会202１度年次大会
• [学会発表] マルチスケール解析による電気磁気セラミック複合材料のミクロ構造設計 (2021)
  • 著者名/発表者名: 佐野史弥，上辻靖智
  • 学会等名: 日本機械学会202１度年次大会
• [学会発表] Multiscale optimization of multiferroic composite materials (2021)
  • 著者名/発表者名: Fumiya Sano, Yasutomo Uetsuji
  • 学会等名: The 7th Asian Conference on Mechanics of Functional Materials and Structures
  • 国際学会
• [学会発表] 3Dプリンタを用いた圧電複合構造のマルチスケール解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 山本夏海，上辻靖智
  • 学会等名: 日本機械学会関西学生会2020年度学生員卒業研究発表講演会
• [学会発表] Multiscale Simulation of 3D-printed Piezoelectric Composite Structure (2020)
  • 著者名/発表者名: Natsumi Yamamoto , Yasutomo Uetsuji
  • 学会等名: International Conference on Functional Material Applications 2020
  • 国際学会
• [学会発表] A Proposal of Material Design Procedure for Laminated Magnetoelectric Laminated Composites (2020)
  • 著者名/発表者名: Kenya Ashida , Yasutomo Uetsuji
  • 学会等名: International Conference on Functional Material Applications 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Multiscale Optimizaition of Magnetoelectric Composite Materials (2020)
  • 著者名/発表者名: Fumiya Sano, Yasutomo Uetsuji
  • 学会等名: International Conference on Functional Material Applications 2020
  • 国際学会
• [学会発表] 積層型複合材料の電気磁気特性設計法の提案 (2020)
  • 著者名/発表者名: 芦田賢哉，上辻靖智
  • 学会等名: 日本材料学会 材料シンポジウム 若手学生研究発表会
• [学会発表] 電気磁気複合材料のミクロ構造最適設計 (2020)
  • 著者名/発表者名: 佐野史弥，上辻靖智
  • 学会等名: 日本材料学会 材料シンポジウム 若手学生研究発表会
• [学会発表] 3Dプリンテッド圧電粒子分散高分子複合材料のマルチスケール解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 佐野史弥，上辻靖智
  • 学会等名: 日本機械学会2020年度年次大会
• [学会発表] Multiscale numerical study on functional materials (2019)
  • 著者名/発表者名: Yasutomo Uetsuji
  • 学会等名: Global Summit on Material Science & Enginnering
  • 国際学会
• [学会発表] 残留応力による圧電薄膜の高性能化に関する数値解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 多川真登，若林裕樹，上辻靖智
  • 学会等名: 日本機械学会2019年度年次大会
• [学会発表] マルチフェロイック複合材料の電気磁気効果に関する数値解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 福井翔大，上辻靖智
  • 学会等名: 日本機械学会2019年度年次大会
• [学会発表] マルチフェロイック高分子複合材料のマルチスケール解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 芦田賢哉，福井翔大，上辻靖智
  • 学会等名: 日本機械学会2019年度年次大会
• [学会発表] マルチスケール解析による高分子基複合材料の電気磁気特性評価 (2019)
  • 著者名/発表者名: 芦田賢哉，福井翔大，上辻靖智
  • 学会等名: 日本機械学会 M&M2019材料力学カンファレンス
• [学会発表] Multiscale numerical study on origin of magnetoelectric effect (2018)
  • 著者名/発表者名: Yasutomo Uetsuji, Takeshi Wada
  • 学会等名: 6th European Conference on Computational Mechanics
  • 国際学会
• [学会発表] Multiscale study on origin of magnetoelectric effect in multiferroic composite materials (2018)
  • 著者名/発表者名: Yasutomo Uetsuji, Takeshi Wada
  • 学会等名: 13th World Congress on Computational Mechanics
  • 国際学会
• [学会発表] Multiscale simulation of multiferroic composite materials (2018)
  • 著者名/発表者名: Syota Fukui, Yasutomo Uetsuji
  • 学会等名: International Symposium on Functionally Graded Materials
  • 国際学会
• [学会発表] Enhancement effect of residual stress on piezoelectric response of laminated structures (2018)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Wakabayasi, Yasutomo Uetsuji
  • 学会等名: 6th Asian Conference on Mechanics of Functional Materials and Structures
  • 国際学会
• [学会発表] Multiscale numerical study on microstructure and material combination for multiferroic composite materials (2018)
  • 著者名/発表者名: Shota Fukui, Yasutomo Uetsuji
  • 学会等名: 6th Asian Conference on Mechanics of Functional Materials and Structures
  • 国際学会
• [学会発表] マルチフェロイック複合材料のミクロ構造と材料組合せに関するマルチスケール解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 福井翔大，上辻靖智
  • 学会等名: 日本機械学会 M&M2018材料力学カンファレンス
• [学会発表] 残留応力による薄膜積層構造の圧電応答の増幅効果に関する数値解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 若林裕樹，上辻靖智
  • 学会等名: 日本機械学会 M&M2018材料力学カンファレンス
• [学会発表] Multiscale numerical study on ferroelectric nonlinear response of PZT thin films (2017)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Wakabayashi, Yasutomo Uetsuji
  • 学会等名: SPIE Micro Technologies 2017
  • 国際学会
• [学会発表] First-principles study on adhesive strength between metal layer and silane coupling agents (2017)
  • 著者名/発表者名: Masahiro Minamiyama, Yasutomo Uetsuji
  • 学会等名: The 8th International Conference on Computational Methods
  • 国際学会
• [学会発表] マルチフェロイック複合材料の電気磁気効果の発現メカニズムに関するマルチスケール数値解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 上辻靖智，和田 剛
  • 学会等名: 第28回新構造・機能制御と傾斜機能材料シンポジウム
• [学会発表] マルチフェロイック複合材料のマルチスケールシミュレーション (2017)
  • 著者名/発表者名: 福井翔大，上辻靖智
  • 学会等名: 日本機械学会関西学生会平成29年度学生員卒業研究発表講演会
• [産業財産権] マルチフェロイック材料の微視構造の最適化方法、およびマルチフェロイック材料構造体 (2021)
  • 発明者名: 上辻靖智，和田 剛，佐野史弥
  • 権利者名: 上辻靖智，和田 剛，佐野史弥
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2021-145738
  • 出願年月日: 2021
• [産業財産権] マルチフェロイック材料の微視構造の最適化方法、およびマルチフェロイック材料構造体 (2020)
  • 発明者名: 上辻靖智，和田 剛
  • 権利者名: 上辻靖智，和田 剛
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2020-151390
  • 出願年月日: 2020