| 研究課題/領域番号 |
22KJ2067
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| 補助金の研究課題番号 |
21J20611 (2021-2022)
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| 研究種目 |
特別研究員奨励費
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| 配分区分 | 基金 (2023)
補助金 (2021-2022) |
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| 応募区分 | 国内 |
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| 審査区分 |
小区分26040:構造材料および機能材料関連
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
鐘ヶ江 壮介 大阪大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| 研究期間 (年度) |
2023-03-08 – 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 |
2,200千円 (直接経費: 2,200千円)
2023年度: 700千円 (直接経費: 700千円)
2022年度: 700千円 (直接経費: 700千円)
2021年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
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| キーワード | メカニカルメタマテリアル / bistable / 有限要素法 / 大変形 / 異方性 / バイメタル / マルテンサイト変態 / 弾性ひずみエネルギー / パラメトリックモデリング / PXCM |
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| 研究開始時の研究の概要 |
周期的な微細構造を作り込み，既存物質では実現が不可能な特性を発現させる材料はメタマテリアルと呼ばれる．我々は新しいメタマテリアルとして，原子や電子の振る舞いを模倣した原子模倣(Atom-mimetics)材料を提案する．材料の物性は，原子配列とそれらの原子を取り巻く電子の状態に由来する．原子模倣材料の創製によって，希少元素のもつ特性を他のより安価な元素に持たせることが期待される．本研究では，原子の振る舞いを模倣した格子構造制御による機能化の試みとして，超弾性や形状記憶特性を示すと期待される格子構造の設計，作製および特性評価を行い，メタマテリアルの新しい設計・創製の指針を示すことを目的とする．
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| 研究実績の概要 |
本研究では、材料科学の原子レベルの知見を格子構造設計に応用し、その物質が本来有さない特性を発現させる、新しいメタマテリアル創製手法の確立を目指した。原子の振る舞いを模倣した格子構造制御として、相転移するセル状材料（Phase Transforming Cellular Material: PXCM）に注目し、超弾性や形状記憶特性を示すと期待される格子構造の新しい設計指針の獲得に成功した。
多軸PXCMの開発で、擬似的な相転移と双安定性を実現し、FEMシミュレーションでその挙動を確認した。さらに、三次元FEMシミュレーションにより、多軸PXCMの異方性と大変形挙動を解析し、<111>方向にbistabilityを示す設計が他の方向にも可能であることが示唆された。また、多軸PXCMは<111>方向にスナップスルーする際に、変形中の弾性ひずみエネルギーが小さくなるよう<112>方向に変形経路を変更してスナップスルーすることが明らかになった。
また、マルテンサイト変態を模倣するメタマテリアル（Martensitic Phase Transforming Metamaterial: MPXM）として、せん断変形によって相転するメタマテリアルと温度変化によって相転移するメタマテリアル熱誘起PXCMを開発した。MPXMはせん断変形によって2つの安定な状態間を可逆的に遷移した。マルテンサイト相変態のせん断変形過程におけるせん断ひずみに伴う弾性ひずみエネルギー変化を定式化した。これにより、新たな力学メタマテリアルの開発が進み、熱誘起マルテンサイト変態や形状記憶効果などの応用が期待される。熱誘起PXCMの安定状態と境界条件をFEMシミュレーションで解析し、その状態図を作成してメタマテリアルの特性制御を容易にした。
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