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ウルトラファインバブルの流動・圧壊ダイナミクスの解明と機械加工への展開

研究課題

研究課題/領域番号 19H00734
研究種目

基盤研究(A)

配分区分補助金
応募区分一般
審査区分 中区分18:材料力学、生産工学、設計工学およびその関連分野
研究機関東北大学

研究代表者

厨川 常元  東北大学, 工学研究科, 教授 (90170092)

研究分担者 水谷 正義  東北大学, 工学研究科, 准教授 (50398640)
久保 百司  東北大学, 金属材料研究所, 教授 (90241538)
今野 豊彦  東北大学, 金属材料研究所, 教授 (90260447)
嶋田 慶太  東北大学, 工学研究科, 助教 (30633383)
研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2022-03-31
研究課題ステータス 完了 (2021年度)
配分額 *注記
46,800千円 (直接経費: 36,000千円、間接経費: 10,800千円)
2021年度: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円)
2020年度: 10,010千円 (直接経費: 7,700千円、間接経費: 2,310千円)
2019年度: 31,720千円 (直接経費: 24,400千円、間接経費: 7,320千円)
キーワードウルトラファインバブル / 研磨加工 / 切削加工 / 表面酸化 / 分子動力学 / 冷却性能 / 膜沸騰 / 研削加工 / 殺菌 / マイクロテクスチャリング / 分子動力学シミュレーション / ハイブリッドテクスチャリング / GaN研磨加工 / Ti切削加工 / Ti 切削加工 / GaN研磨
研究開始時の研究の概要

近年、その応用分野が急速に拡大しているウルトラファインバブル(UFB)の基礎的な流動・圧壊ダイナミクスを大規模分子動力学シミュレーションにより解明し、その知見に基づきGaNの最終仕上げ研磨加工とチタン合金の超高能率切削加工に応用展開し、加工の高能率化、高精度化を実現することを目的とする。そしてUFBの効果を最大化するため研磨加工においては超音波援用供給法を、また切削加工においては工具すくい面と逃げ面にマイクロテクスチャリング処理を施した機能性工具を試作し、それぞれの加工性能の向上を実現する。

研究成果の概要

ウルトラファインバブル(UFB)は2000年代の中頃から漁業や農業への適用が始まり、現在では医学、薬学、農学、工学等、その応用範囲は増加している。しかしその作用メカニズムは十分に解明されておらず、科学的に証明することが早急に求められていた。本研究では基礎的なUFBの流動・圧壊ダイナミクスを大規模分子動力学シミュレーションにより解明した。超音波援用供給法によりUFBを圧壊してOHラジカルを発生させ、窒化ガリウム基板の高能率研磨加工に成功した。そしてこれはUFB加工液特有の表面活性効果によるものであることを発見した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

ウルトラファインバブルは“日本発”の技術であり、産業界への波及効果が非常に大きい。“ものづくりJAPAN”ブランド確立のため、経済産業省をはじめとして国を挙げてUFBの国際標準化に取り組んでいる。数年前からはUFBの切削、研削、研磨などの機械加工分野への適用が始まっている。さらにUFBは“水と空気”のみを使う技術であり、化学薬剤は一切不要である。したがって環境にも非常に優しい技術である。本研究はUFBの原子レベルでの挙動解明を行うことにより、UFB利用技術の最適化を行おうとする全く新しい試みである。

報告書

(5件)
  • 2021 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2020 実績報告書
  • 2019 審査結果の所見   実績報告書
  • 研究成果

    (15件)

すべて 2021 2020 2019

すべて 雑誌論文 (7件) (うち国際共著 3件、 査読あり 7件、 オープンアクセス 7件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 6件)

  • [雑誌論文] Effect of Ta substitution on the synthesis of (K,Na)(Nb,Ta)O<sub>3</sub> powders by hydrothermal reaction: Insight into the combination of alkaline solution and raw powder2021

    • 著者名/発表者名
      Shintaro SANO, Takahisa SHIRAISHI, Takanori KIGUCHI, Toyohiko. J. KONNO
    • 雑誌名

      Journal of the Ceramic Society of Japan

      巻: 129 号: 7 ページ: 365-371

    • DOI

      10.2109/jcersj2.20240

    • NAID

      130008060687

    • ISSN
      1348-6535, 1882-0743
    • 年月日
      2021-07-01
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Effect of Ultrafine Bubbles on <i>Pseudomonas Aeruginosa</i> and <i>Staphylococcus Aureus</i> During Sterilization of Machining Fluid2021

    • 著者名/発表者名
      Yamada Hiroko、Konishi Kensuke、Shimada Keita、Mizutani Masayoshi、Kuriyagawa Tsunemoto、Graduate School of Biomedical Engineering, Tohoku University 6-6-01 Aramaki Aza-Aoba, Aoba-ku, Sendai, Miyagi 980-8579, Japan、Graduate School of Engineering, Tohoku University, Sendai, Japan
    • 雑誌名

      International Journal of Automation Technology

      巻: 15 号: 1 ページ: 99-108

    • DOI

      10.20965/ijat.2021.p0099

    • NAID

      130007966132

    • ISSN
      1881-7629, 1883-8022
    • 年月日
      2021-01-05
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Cooperative Roles of Chemical Reactions and Mechanical Friction in Chemical Mechanical Polishing of Gallium Nitride Assisted by OH Radicals: Tight-Binding Quantum Chemical Molecular Dynamics Simulations2021

    • 著者名/発表者名
      K. Kawaguchi, Y. Wang, J. Xu, Y. Ootani, Y. Higuchi, N. Ozawa, M. Kubo
    • 雑誌名

      Phys. Chem. Chem. Phys.

      巻: 23 号: 7 ページ: 4075-4084

    • DOI

      10.1039/d0cp05826b

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書 2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Atom-by-Atom and Sheet-by-Sheet Chemical Mechanical Polishing of Diamond Assisted by OH Radicals: A Tight-Binding Quantum Chemical Molecular Dynamics Simulation Study2021

    • 著者名/発表者名
      Kawaguchi Kentaro、Wang Yang、Xu Jingxiang、Ootani Yusuke、Higuchi Yuji、Ozawa Nobuki、Kubo Momoji
    • 雑誌名

      ACS Applied Materials &amp; Interfaces

      巻: 13 号: 34 ページ: 41231-41237

    • DOI

      10.1021/acsami.1c09468

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Crystallization behavior and machining properties of annealed FeSiBCr amorphous alloys2021

    • 著者名/発表者名
      Chieko Kuji, Kana Takenaka, Masayoshi Mizutani, Keita Shimada, Tsunemoto Kuriyagawa, Toyohiko J. Konno
    • 雑誌名

      Journal of Materials Science

      巻: 56 号: 29 ページ: 16697-16711

    • DOI

      10.1007/s10853-021-06346-7

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Multiscale structural characterization of yttria dispersed copper alloys fabricated by hot isostatic processing of mechanically alloyed powders2020

    • 著者名/発表者名
      Shimada Yusuke、Kazukawa Makoto、Hishinuma Yoshimitsu、Ikeda Ken-ichi、Noto Hiroyuki、Ma Bing、Takeguchi Masaki、Muroga Takeo、Konno Toyohiko J.
    • 雑誌名

      Materialia

      巻: 14 ページ: 100892-100892

    • DOI

      10.1016/j.mtla.2020.100892

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Energy storage properties of epitaxially grown xCaZrO3(1-x)NaNbO3 thin films prepared with chemical solution deposition method2020

    • 著者名/発表者名
      T. Shiraishi, S. Suzuki, T. Kiguchi, T. J. Konno
    • 雑誌名

      Journal of Applied Physics

      巻: 128 号: 4 ページ: 044102-044102

    • DOI

      10.1063/5.0004239

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Effect of Bubble Concentration Added to Coolant on Cutting2021

    • 著者名/発表者名
      Yasuhiro KUNIEDA, Kenta NAKAMURA, Keita SHIMADA, Masayoshi MIZUTANI, Tsunemoto KURIYAGAWA
    • 学会等名
      The 6th International Symposium on Micro/Nano Mechanical Machining and Manufacturing
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] ウルトラファインバブルクーラントのぬれ性と研削性能2021

    • 著者名/発表者名
      畑山陽介,大越広夢,水谷正義,厨川常元
    • 学会等名
      2021年度砥粒加工学会学術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Ultrasonic assistance on the generation of hydroxyl radicals in ultrafine bubble suspended water2019

    • 著者名/発表者名
      Keita Shimada, Kazuki Suzuki, Masayoshi Mizutan, Tsunemoto Kuriyagawa
    • 学会等名
      The 8th international Conference of Asian Society for Precision Engineering and Nanotechnology (ASPEN 2019)
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Bactericidal effect of ultrafine bubble against Pseudomonas aeruginosa in grinding fluid2019

    • 著者名/発表者名
      Hiroko Yamada, Kensuke Konishi, Keita Shimada, Masayoshi Mizutani, Tsunemoto Kuriyagawa
    • 学会等名
      The 22nd International Symposium on Advances in Abrasive Technology
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Large-scale Molecular Dynamics Simulations on Chemical Mechanical Polishing Process of AlN Substrate with Nanobubbles2019

    • 著者名/発表者名
      Sota Kimura, Wang Yang, Narumasa Miyazaki, Yusuke Ootani, Nobuki Ozawa, Momoji Kubo
    • 学会等名
      WINDS2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Chemical Mechanical Polishing Process with Nanobubbles of Nitride Semiconductor Substrate: Molecular Dynamics Investigation2019

    • 著者名/発表者名
      Sota Kimura, Narumasa Miyazaki, Yusuke Ootani, Nobuki Ozawa, Momoji Kubo
    • 学会等名
      ITC2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Nanobubble Collapse Simulation for Efficient Chemical Mechanical Polishing of Aluminum Nitride by Molecular Dynamics Method2019

    • 著者名/発表者名
      Sota Kimura, Narumasa Miyazaki, Yusuke Ootani, Nobuki Ozawa, Momoji Kubo
    • 学会等名
      Tribochemistry
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 複数のナノバブルを用いたAlN基板の 化学機械研磨における大規模分子動力学 シミュレーション2019

    • 著者名/発表者名
      木村颯太, 王楊, 宮崎成正, 大谷優介, 尾澤伸樹, 久保百司
    • 学会等名
      精密工学会2019年度秋季大会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書

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公開日: 2019-04-18   更新日: 2023-01-30  

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