| 研究課題/領域番号 |
23K04364
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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26010:金属材料物性関連
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| 研究機関 | 早稲田大学 |
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研究代表者 |
鈴木 進補 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (10437345)
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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: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
2023年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
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| キーワード | 液体金属 / 自己拡散 / 相互拡散 / 不純物拡散 / 分子動力学（MD）シミュレーション / 液体構造 / シアーセル法 / 拡散 / MDシミュレーション / シアーセル / 蛍光X線 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
微視的な時間・空間尺度における液体金属中の原子の挙動をシミュレーションで可視化し，高精度な巨視的拡散係数測定値で妥当性を裏付け，マルチスケールでの拡散挙動を解明することを目的とする。溶媒をSn,Pb,およびAlとした高精度の不純物および相互拡散実験により高精度拡散係数を得るとともに、分子動力学シミュレーションにより、原子一つ一つの動きを微小時間（< 1 ps）で可視化する。本課題では、申請者のグループが確立してきた高精度拡散係数測定方法を用い、各溶質・溶媒に対し、原子の配置（ショルダー有無）、原子のジャンプ頻度・距離と拡散係数との関係を明らかにし、拡散係数の定式化を行う。
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| 研究実績の概要 |
微視的な時間・空間尺度における液体金属中の原子の挙動をシミュレーションで可視化し，高精度な巨視的拡散係数測定値で妥当性を裏付け，マルチスケールでの拡散挙動を解明することを目的とする。溶媒をSn,Pb,およびAlとした高精度の不純物および相互拡散実験により高精度拡散係数を得るとともに、分子動力学（MD）シミュレーションにより、原子一つ一つの動きを微小時間（< 1 ps）で可視化する。申請者のグループは、従来困難とされてきた高精度拡散係数測定方法を確立し、原子半径、原子量、熱力学的因子と拡散係数との関係を整理に成功した。本課題では、各溶質・溶媒に対し、原子の配置（ ショルダー有無）、原子のジャンプ頻度・距離と拡散係数との関係を定量的に明らかにする。この結果から，微視的な時間・空間尺度における原子の挙動を考慮して、液体金属中の巨視的拡散挙動を解明し、定式化するために分子動力学（MD）シミュレーションおよびシアーセルによる拡散係数測定を行っている。凝固や結晶成長において不可欠な物性値である液体金属中の拡散係数の定式化は，産業面からも基礎の面からも非常に重要である。
本年度は，主にMDシミュレーションを用いたSn,Pb,Alの自己拡散係数算出，シアーセル法によるAl中のSnおよびPb中のSnの不純物拡散係数測定を行った．MDシミュレーションでは，まず，MDシミュレーションにおける設定条件を密度条件を，シアーセル法実験では，高精度測定が可能な対流抑制条件，不純物上限を明らかにし，液体Al中のSnの不純物拡散係数を求めた。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
1) 液体Al中の不純物拡散係数測定と測定精度：Al-Snと純Alの拡散対を用いて973 Kでシアーセル法による拡散実験を行った．Al-Sn中のSn初期濃度c0は，0.05-2.90 at%で8水準変化させた．初期濃度c0が1.6 at%より大きい場合に純Al試料の不純物Sn量に影響されず，は，DSnAlは (6.27 ± 0.04) × 10^-9 m^2s^-1で，相対標準偏差は0.6%となり，再現性の高い結果得られることが分かった．この結果，Alにおいても原子半径比と熱力学的因子の積が１より大きくなった場合に自己拡散の場合より拡散係数が小さくなることを確認した．
2) PFPを用いたMDシミュレーションによる液体Pb中の自己拡散係数：原子間ポテンシャルの一種であるPreFerred Potential（PFP）を用いたPbのMDシミュレーションを試みた．原子数密度nの設定値を25.40～28.45 nm^-3の間で変化させた結果，27.3 nm^-3の時にPb自己拡散係数実験値と一致した．
3) ショルダー有無が微視的挙動に与える影響：MEAMポテンシャルを用いたＭＤシミュレーションの結果，液体 Sn（ショルダー有）は，液体Pb(ショルダー無)と比較して，速度自己相関関数が速くゼロに収束することを示した．しかしながら，ショルダーの存在は，巨視的拡散係数には顕著な影響を及ぼさないことも示した．
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| 今後の研究の推進方策 |
1) シアーセル法および蛍光X線を用いた拡散実験：液体Sn, Pb, およびAl中における各溶質元素の不純物拡散係数を測定する．特に，溶媒に対して溶質の原子半径が小さい組み合わせを重点的に行う．これまでの実験では，このような組み合わせの場合に，従来の予測式より低い拡散係数となる傾向が得られている．この点について，詳細な実験データを取得する．
2) MDシミュレーションを用いた各溶媒および溶質における拡散挙動：上記の不純物拡散について，MDシミュレーションを行う．特に，速度相関関数を解析し，上記の組み合わせにおいて，予測式より低くなる原因を明らかにする．特に，異種原子間の相互作用を静的構造から評価する．拡散係数が予測式より低下する原子半径比と熱力学的因子の積の領域を定量的に評価する．
3) 微視的挙動の積み重ねとしての巨視的拡散挙動：上記の結果および文献値を用いて，各溶媒と溶質の組み合わせにおいて，微視的挙動（ジャンプ距離，各ジャンプの平均二乗変位，停留時間，ジャンプ時間，ジャンプ頻度，原子集団の構成数，移動速度，速度相関関数の時間変化等）と巨視的挙動（拡散係数）との関係を定量的に明らかにする．整理してきた原子半径比，原子量比，熱力学因子と拡散係数との関係と，微視的な定量データの間の相関性を見出す．さらに，従来の予測式が成立しない範囲においても，補正項を追加するなどし，新たな予測式を提案する．
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