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ナノ双晶強化を利用した高硬度・高靭性セラミックスの創製

研究課題

研究課題/領域番号 20K15018
研究種目

若手研究

配分区分基金
審査区分 小区分26020:無機材料および物性関連
研究機関東京大学

研究代表者

増田 紘士  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 講師 (20823701)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2024-03-31
研究課題ステータス 完了 (2023年度)
配分額 *注記
4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
2023年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
2022年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2021年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
2020年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
キーワードセラミックス / 柔軟性 / フラッシュ焼結 / フラッシュ処理 / ジルコニア / TiO2 / 非弾性 / 粘弾性 / ナノインデンテーション / 擬弾性 / ナノ双晶 / ビーズミリング / 双晶誘起強靭化 / 双晶誘起高靭化
研究開始時の研究の概要

セラミックス材料は,優れた硬度・耐熱性・耐食性を活かして,超高圧・超高温・超腐食などの極限環境で「構造材料」として利用されている。一方で,脆く「破壊靭性」に乏しい点は,構造材料としては致命的な欠点であり,セラミックスにおける最大の課題だといえる。そこで本研究は,幅広い温度・環境において適用可能であり,硬度を犠牲にせず靭性を向上させることが可能な「ナノ双晶強化」に着目し,(1) セラミックスにおけるナノ双晶強化の微視的なメカニズムを解明することと,(2) ナノ双晶強化を利用することで高硬度・高靭性を両立させたバルクセラミックスを創出することを目的として実施される。

研究成果の概要

本研究前半では、ナノ双晶をもつY2O3安定化ZrO2 (YSZ) に対してマイクロ力学試験を実施することで、双晶ドメインの核形成および界面移動によって亀裂進展を抑制する強靭化機構を直接観察することに成功した。研究後半では、強電場下での「フラッシュ処理」を施したセラミックスから当初想定していなかった弾性軟化挙動を発見し、この現象の理解へと方針転換を行った。フラッシュ処理を施した複数の酸化物セラミックス (3YSZ、8YSZ、TiO2) において、試験速度に依存した弾性軟化挙動を確認することができた。これらの挙動は、強電場下で導入された点欠陥の可逆運動による非弾性現象に由来すると考えられる。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本結果は、セラミックスの新たな機能創出につながる重要な成果だと考えられる。これまで材料の弾性率を制御することは困難だとされてきたが、強電場を利用するフラッシュ処理によって弾性特性を自在に操ることができれば、セラミックス部品の信頼性向上につながるさまざまな工学的応用につながる。例えば、セラミックスの弾性率を低下させることで柔軟性を付与する、あるいは金属などとの異種材料接合時に熱破壊への耐久性を高めることが可能となるなど、セラミックス部品の信頼性向上に貢献することが期待される。

報告書

(5件)
  • 2023 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2022 実施状況報告書
  • 2021 実施状況報告書
  • 2020 実施状況報告書
  • 研究成果

    (19件)

すべて 2024 2023 2022 2021

すべて 雑誌論文 (7件) (うち査読あり 5件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (11件) (うち国際学会 4件、 招待講演 1件) 産業財産権 (1件)

  • [雑誌論文] Optical and mechanical properties of rutile TiO2 subjected to AC flash processing2024

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi Masuda, Tomoharu Tokunaga, Takahisa Yamamoto, Hidehiro Yoshida
    • 雑誌名

      Scripta Materialia

      巻: 246 ページ: 116088-116088

    • DOI

      10.1016/j.scriptamat.2024.116088

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] フラッシュ処理を施したセラミックスにおける特異な力学応答2023

    • 著者名/発表者名
      MASUDA Hiroshi
    • 雑誌名

      粉体および粉末冶金

      巻: 70 号: 1 ページ: 30-35

    • DOI

      10.2497/jjspm.70.30

    • ISSN
      0532-8799, 1880-9014
    • 年月日
      2023-01-15
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] フラッシュ焼結技術による柔軟なセラミックスの創出2023

    • 著者名/発表者名
      増田 紘士, 吉田 英弘
    • 雑誌名

      FCレポート

      巻: 41

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [雑誌論文] 通電焼結技術を利用した柔軟なセラミックスの創出2023

    • 著者名/発表者名
      増田 紘士, 吉田 英弘
    • 雑誌名

      機能材料

      巻: 43 ページ: 44-50

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Anelasticity induced by AC flash processing of cubic zirconia2022

    • 著者名/発表者名
      Masuda Hiroshi、Morita Koji、Tokunaga Tomoharu、Yamamoto Takahisa、Yoshida Hidehiro
    • 雑誌名

      Acta Materialia

      巻: 227 ページ: 117704-117704

    • DOI

      10.1016/j.actamat.2022.117704

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] セラミックスのマイクロ力学特性と塑性変形機構2021

    • 著者名/発表者名
      増田紘士
    • 雑誌名

      まてりあ

      巻: 60 号: 2 ページ: 96-100

    • DOI

      10.2320/materia.60.96

    • NAID

      130007978838

    • ISSN
      1340-2625, 1884-5843
    • 年月日
      2021-02-01
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Ferroelastic and plastic behaviors in pseudo-single crystal micropillars of nontransformable tetragonal zirconia2021

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi Masuda, Koji Morita, Makoto Watanabe, Toru Hara, Hidehiro Yoshida, Takahito Ohmura
    • 雑誌名

      Acta Materialia

      巻: 203 ページ: 116471-116471

    • DOI

      10.1016/j.actamat.2020.11.013

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 交流フラッシュ処理を施したルチル型TiO2における弾性軟化2023

    • 著者名/発表者名
      増田 紘士, 徳永 智春, 山本 剛久, 吉田 英弘
    • 学会等名
      日本金属学会2023年秋期 (第173回) 講演大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Rate-dependent nanoindentation responses of AC-flash-processed TiO22023

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi Masuda, Tomoharu Tokunaga, Takahisa Yamamoto, Hidehiro Yoshida
    • 学会等名
      MRM2023/IUMRS-ICA2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] セラミックスへのフラッシュ現象に伴う特異な力学応答2022

    • 著者名/発表者名
      増田 紘士
    • 学会等名
      粉体粉末冶金協会2022年度春季大会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Anelastic mechanical responses of AC-flashed yttria-stabilized zirconia2022

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi Masuda, Koji Morita, Tomoharu Tokunaga, Takahisa Yamamoto, Hidehiro Yoshida
    • 学会等名
      MSE 2022
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] フラッシュ処理を施した立方晶イットリア安定化ジルコニアの局所力学応答2022

    • 著者名/発表者名
      増田 紘士, 森田 孝治, 吉田 英弘
    • 学会等名
      日本セラミックス協会 2021年年会
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [学会発表] Pseudo-single crystal micropillar compression study of nontransformable tetragonal zirconia2022

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi Masuda, Koji Morita, Makoto Watanabe, Toru Hara, Hidehiro Yoshida, Takahito Ohmura
    • 学会等名
      45th International Conference and Expo on Advanced Ceramics and Composites (ICACC2021)
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 立方晶ジルコニアへの通電処理による非弾性変形の発現2021

    • 著者名/発表者名
      増田 紘士, 森田 孝治, 吉田 英弘
    • 学会等名
      日本金属学会2021年秋期(第169回)講演大会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] 通電処理を施したイットリア安定化ジルコニアにおける結晶欠陥の力学応答ーフラッシュ焼結機構の理解に向けて2021

    • 著者名/発表者名
      増田 紘士, 森田 孝治, 吉田 英弘
    • 学会等名
      粉体粉末冶金協会2021年度秋季大会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] Rate-dependent nanoindentation response of flash-processed cubic zirconia2021

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi Masuda, Koji Morita, Hidehiro Yoshida
    • 学会等名
      MRM2021 Materials Research Meeting
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] フラッシュ処理を施したジルコニアセラミックスの微小力学特性評価2021

    • 著者名/発表者名
      増田 紘士, 佐々木 和, 北岡 泰佑, 大村 孝仁, 吉田 英弘
    • 学会等名
      粉体粉末冶金協会 2020年度秋季大会(第126回講演大会)
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [学会発表] ジルコニアの強弾性ドメイン活性化による変形及び強靭化挙動2021

    • 著者名/発表者名
      増田 紘士, 森田 孝治, 渡邊 誠, 原 徹, 吉田 英弘, 大村 孝仁
    • 学会等名
      日本セラミックス協会 第33回秋季シンポジウム
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [産業財産権] セラミックスの製造方法及びセラミックス2021

    • 発明者名
      増田紘士, 吉田英弘
    • 権利者名
      国立大学法人東京大学
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      2021-138876
    • 出願年月日
      2021
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書

URL: 

公開日: 2020-04-28   更新日: 2025-01-30  

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