| 研究課題/領域番号 |
20H02021
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分18010:材料力学および機械材料関連
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
祖山 均 東北大学, 工学研究科, 教授 (90211995)
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| 研究分担者 |
北川 尚美 東北大学, 工学研究科, 教授 (00261503)
久慈 千栄子 東北大学, 工学研究科, 助教 (20839287)
佐々木 裕章 東北大学, 工学研究科, 助教 (90812040)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| 研究課題ステータス |
完了 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
17,940千円 (直接経費: 13,800千円、間接経費: 4,140千円)
2022年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)
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: 9,490千円 (直接経費: 7,300千円、間接経費: 2,190千円)
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| キーワード | キャビテーション / 固体粒子 / セルロースナノファイバ / 表面力学設計 / 機械的表面改質 / 金属製積層造形材 / 疲労強度 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究は，固体粒子を含有した流動キャビテーションにより，固体粒子の衝突衝撃力とキャビテーションの崩壊衝撃力による物理的作用，ならびに固気液三相から成るキャビテーションの化学的作用に着目した新機能性材料創成を目指す。具体的には，衝撃力を利用した表面力学設計を構築し，金属製積層造形材の疲労特性向上への展開を図る。また，キャビテーションによる化学反応に着目し，金属材料表面の酸化膜の制御や，バイオマスの解繊によるセルロースナノファイバCNFの生成やカフェ酸などの生理活性物質の抽出に活用し，金属などのハードマテリアルばかりでなく，セルロースなどのソフトマテリアルの材料創成に展開する。
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| 研究成果の概要 |
本研究は，固体粒子を含有した流動キャビテーションを用いた新機能性材料の創成を目的ととして研究を推進した。具体的には，固体粒子を混濁させたキャビテーション噴流による表面改質(Cavitation Abrasive Surface Finishing CASF)により，チタン製積層造形材の疲労強度を向上できることを実証した。また，ベンチュリ管を用いて発生させた流動キャビテーションによりセルロースを解繊してセルロースナノファイバ（CNF）を生成できることを実証し，走査型電子顕微鏡(SEM)でCNFを観察した。さらに，流量調整弁による流動キャビテーションを用いたCNFの生成に成功した。
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| 研究成果の学術的意義や社会的意義 |
流動キャビテーションの有効活用において，流動キャビテーションの圧潰場の圧力の増大によりキャビテーション強さが増大する原因がこれまで不明だった。本研究の実施により，流動キャビテーション圧潰後の残留気泡を高速度観察することにより，キャビテーション流れ場の音速を計測できることを明らかにし，音速を考慮してキャビテーション強さを評価することにより，圧潰場の圧力によりキャビテーション強さが変化する機構を明らかにした。金属製積層造形材(3D-Metal)は，疲労強度が著しく低いことが実用化の障壁になっているが，本研究により3D-Metalの疲労強度向上が可能になり，3D-Metalの実用化に貢献した。
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