| 研究課題/領域番号 |
21H01607
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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26010:金属材料物性関連
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| 研究機関 | 国立研究開発法人物質・材料研究機構 |
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研究代表者 |
佐原 亮二 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 構造材料研究センター, グループリーダー (30323075)
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| 研究分担者 |
成島 尚之 東北大学, 工学研究科, 教授 (20198394)
上田 恭介 東北大学, 工学研究科, 准教授 (40507901)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
完了 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
16,900千円 (直接経費: 13,000千円、間接経費: 3,900千円)
2023年度: 6,110千円 (直接経費: 4,700千円、間接経費: 1,410千円)
2022年度: 5,850千円 (直接経費: 4,500千円、間接経費: 1,350千円)
2021年度: 4,940千円 (直接経費: 3,800千円、間接経費: 1,140千円)
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| キーワード | 計算材料科学 / 第一原理計算 / 耐熱材料 / 化学反応 / チタン / 表面酸化 / GW計算 / 計算状態図 / 全電子GW計算 / バンドギャップ / 可視光応答型光触媒 / アナターゼ / チタン表面酸化 / 分子解離 / 酸化速度定数 / プロセスインフォマティクス / 機械学習モデル / 表面化学反応 / 理論状態図 / 電子励起ダイナミクス / チタン合金 / 酸化 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究の目的は、高温酸化、腐食、水素(脆) 化プロセスなど耐熱材料表面における化学反応を制御するための基礎的な知見を得て、今後の材料開発に資することである。そのため、密度汎関数理論に基づく第一原理計算と統計力学的手法などの計算材料科学を主として、実験・機械学習との連携により、チタン合金、耐熱鋼、ニッケル合金などに代表される耐熱材料の表面化学反応の初期メカニズムを、原子・電子レベルから理論的に解明する。必要に応じて時間依存密度汎関数理論(TDDFT) による電子励起状態を考慮したダイナミクスシミュレーションをおこない、分子解離に寄与する励起状態の特定や周囲の環境と反応性の関係などを明らかにする。
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| 研究成果の概要 |
本研究は、高温酸化などのプロセスを制御し、耐熱材料の適切な材料選択や材料寿命予測に資することを目的とし、そのため、密度汎関数理論に基づく第一原理計算をはじめとする計算材料科学により、チタン(Ti)合金など耐熱材料の表面科学反応の初期メカニズムを原子・電子レベルから理論的に解明した。本課題で得られた主な研究成果として特に(1)Ti表面酸化に及ぼす合金元素の効果の系統的解明、(2)全電子GW計算による軽元素添加酸化チタン(アナターゼ)の電子状態解析および本手法の電子励起ダイナミクスシミュレーションへの拡張が挙げられる。
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| 研究成果の学術的意義や社会的意義 |
一般に耐熱材料は年単位という長期的な使用が想定されており、それに伴って実験や検証に時間がかかる。この短縮化のために、計算材料科学やデータ科学に基づき、巨視的な材料特性の起源を原子・電子レベルまでさかのぼって理論的に理解することは重要な課題である。しかしこの観点からの研究は極めて限定されている。本課題は、この問題を解決するため計算材料科学の観点から高温表面酸化をはじめとする材料プロセスと制御に着眼した際の、その根本原理は何かを明らかにすること、さらに、従来は計算の実行が困難であったあるいは実行できても精度が悪かった計算が実現できる新規モデル・計算手法を確立したことに、学術的・社会的意義がある。
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