| 研究課題/領域番号 |
23K03584
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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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 | 鹿児島工業高等専門学校 |
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研究代表者 |
徳永 仁夫 鹿児島工業高等専門学校, 機械工学科, 教授 (70435460)
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| 研究期間 (年度) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2025年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
2024年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2023年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
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| キーワード | 金属ガラス / 傾斜機能材料 / 多孔質材料 / 放電プラズマ焼結 / 複合材料 / 多孔質 / 傾斜機能 / マルテンサイト変態 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
金属ガラスは，高強度，低ヤング率，高耐食性といった特徴を有しており，次世代の金属基生体材料としての可能性を有する．しかしながら，材料組織制御が難しい，低延性（塑性変形を示さない），ヤング率が骨のそれよりも数倍高いことなど，実用化を妨げる課題が存在する．本研究では，次世代金属基生体材料を目指し，金属ガラスを基盤とした高延性・低ヤング率な複合材料を創製する．材料作製プロセスとして，ガスアトマイズ法，放電プラズマ焼結法，焼結スペーサ法を組み合わせた手法を提案する．さらに作製した材料の力学的性質を調査し，生体材料としての可能性を明らかにする．
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| 研究実績の概要 |
Zr-Cu-Al 金属ガラス（以下，MG）をマトリックスとしてZrCuが析出した複合材料は，高延性・低ヤング率を示す．一方で，これらの材料は溶融・凝固（溶製法）によって作製されることが一般的である．溶製法では析出相/ガラスマトリックスの体積分率，析出相の結晶構造，形状を制御することが難しい．本研究では，Zr-Cu-Al MGマトリックス複合材料の材料組織制御プロセス構築を目的とする．特に，材料表面にはMG相が存在し，内部にはZrCuが形成された複合材料の創製を目指す．また，ポーラス化によるヤング率の低下も達成する．具体的な材料組織制御として，粉末冶金技術（ガスアトマイズ（以下，GA）＋放電プラズマ焼結（以下，SPS））を適用する． 本研究では特にSPSにおける焼結温度が，焼結体の材料組織に及ぼす影響明らかにする．また，作製した試料を用いて圧縮試験を行い，MGを形成するSPS条件の調査，および低ヤング率化と高延性化実現の可能性について調査した．
その結果，焼結温度が360℃から420℃までの焼結体ではハローパターンが確認され，ガラス構造の焼結体が得られることを確認した．一方で焼結温度が440℃のSPSではZr2Cuとみられる結晶の形成が確認された．いずれのSPS条件においてもZrCuの形成は確認されなかった．また，焼結温度が高いほどほど焼結体密度が高い．溶製材と比較した場合の相対密度は，焼結温度360℃では92％，420℃ では99％程度の値が得られた．次に圧縮試験を行い，焼結温度が低くなるほど，弾性変形領域の勾配が低くなる傾向があることを確認した．すなわち，ポーラス化による低ヤング率化の可能性が示された．また低密度な焼結体は降伏挙動を示す傾向があった．圧縮試験後破面観察結果より，MG特有のベインパターンが確認され，焼結体がMGからなることが分かった．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
放電プラズマ焼結によりMG焼結体が得られること，ガラス構造が得られる焼結温度には適当な範囲があること，焼結温度によって焼結体密度が変化することを明らかにした．一方で，目的とする多孔質構造，材料組織を得るには至っていない．遅れの理由は，研究時間を確保が難しかったことであり，今後は研究計画に沿って研究を進める．
まず，多孔質構造を制御する方法を確立する．その後，材料組織，特に析出する結晶相の種類や体積分率を制御する方法を確立する．
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| 今後の研究の推進方策 |
これまでの研究で，焼結温度が高いほど焼結体が緻密化することが明らかとなった．また，MGマトリックスが得られる焼結温度には，適正な範囲があることを確認した．一方で，一般的な放電プラズマ焼結で得られる多孔質材料の気孔率は，本研究の目的である，低ヤング率，高延性の実現には不十分である．今後は，さらに気孔率を高めるために，焼結スペーサー法を適用する．具体的には塩化ナトリウム粒子などをスペーサー粒子として，合金粉末と混合して焼結を行い，気孔率を制御する．多孔質化は材料の低ヤング率かだけでなく軽量化，塑性変形発現にも寄与する可能性がある．圧縮試験や引張試験によって変形挙動を明らかにする．
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