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超高温セラミックスUHTCの高強度高靭性化-新規材料設計戦略の開拓

研究課題

研究課題/領域番号 23K17338
研究種目

挑戦的研究(開拓)

配分区分基金
審査区分 中区分26:材料工学およびその関連分野
研究機関京都大学

研究代表者

乾 晴行  京都大学, 工学研究科, 教授 (30213135)

研究期間 (年度) 2023-06-30 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
25,870千円 (直接経費: 19,900千円、間接経費: 5,970千円)
2025年度: 7,410千円 (直接経費: 5,700千円、間接経費: 1,710千円)
2024年度: 8,710千円 (直接経費: 6,700千円、間接経費: 2,010千円)
2023年度: 9,750千円 (直接経費: 7,500千円、間接経費: 2,250千円)
キーワード超高温セラッミクス / 遷移金属硼化物 / 遷移金属炭化物 / 降伏強度 / 固溶強化 / 平均原子変位 / 破壊靭性 / 積層欠陥 / 超高温セラミックス / 強度
研究開始時の研究の概要

宇宙往還機や極超音速旅客機の開発に向け,大気圏突入時の超高温にも耐える超高温セラッミクス(UHTC)に更なる高性能を付与すべく,その主構成相たる遷移金属(TM)硼化物TMB2あるいは炭化物TMCの高強度,高靭性化を実験,理論計算の両面から探り,高性能UHTCの材料設計指針の確立を目指す.具体的は,UHTCの硬度・強度が金属材料お固溶強度と同様に平均原子変位(MSAD)により記述できるか,また,変形能・破壊靭性が転位運動の難易を支配するその移動経路のエネルギー勾配を記述子として予測し得るかを検証し,ハイエントロピー化の観点から高性能UHTCの材料設計指針の確立を目指す.

研究実績の概要

宇宙往還機や極超音速旅客機の開発に向け,大気圏突入時の超高温にも耐える材料の開発が必須である.超高温セラッミクス(UHTC)はその筆頭候補材料であるが,超高温実証試験で十分な材料特性を示せず,実用に耐え得るより高性能すなわち更なる高強度,高靭性を持つUHTCの開発が待ち望まれている.UHTCの高強度,高靭性化に関する材料設計戦略は現状では皆無に等しいと言わざるを得ない.本研究の終極の目的は,経験則に頼らない新規なUHTC材料設計戦略の開拓であり,(i) 平均原子変位(MSAD:Mean-Square Atomic Displacement)を強度(硬度)の(ii)1/2<a+c>積層欠陥エネルギーおよびその経路のエネルギー勾配を破壊靭性(変形能)の記述子として,UHTCの高強度・高靭性化の材料設計戦略足りうるかを理論計算,実験の両面から検証しつつ,ハイエントロピー化の観点から高性能UHTCの材料設計指針の確立を目指す.TMCおよびTMB2(TM:遷移金属)の強度(硬度)および破壊靭性を予測する記述子としてMSADおよび積層欠陥エネルギーを考え,TMとして第3周期(Ti, V, Cr),第4周期(Zr, Nb, Mo),第5周期(Hf, Ta, W)の9元素を考慮し,等原子量の5種類のTMからなるTMCおよびTNB2に対し第一原理計算により求め,有望なMSAD値,積層欠陥エネルギー値をもつ5種類のTMからなるTMCおよびTMB2を選定し,プラズマ焼結法により作製,マイクロピラー圧縮法およびナノインデンテーション法により強度,硬度を実測し,マイクロカンチレバー法により破壊靭性を実測し,理論計算結果を実験により検証しつつ,高性能UHTCの材料設計指針の確立を目指す.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

TMCおよびTMB2(TM:遷移金属)強度(硬度)および破壊靭性を予測する記述子としてMSADおよび積層欠陥エネルギーを考え,TMとして第3周期(Ti, V, Cr),第4周期(Zr, Nb, Mo),第5周期(Hf, Ta, W)の9元素を考慮し,等原子量の5種類のTMからなるTMCおよびTNB2に対し第一原理計算により求めた.TMCについては,36種類の5種類のTMからなる等原子量TMCを計算した.構成TM元素の種類および組み合わせによりMSADの値は25~110平方pmと大きく変化する.これらの結果を回帰分析すると,強度(硬度)はMSADの増大とともに増大すると考えられるが,MSADの増大にはVが最も効果的で,Mo, Zrの順に効果があること,逆にMSADの減少にはTa, Nbが最も効果的で,Hf, Tiの順に効果があることが明らかとなった.積層欠陥エネルギーについても同様に計算が進行している.MSADが大きく異なる5種類の等原子量の5種類のTMCについて通電加熱焼結法により作製を試みた.通電加熱焼結直後ではすべてのTMCが単相ではなく,高温で熱処理を行って単相化を進めている.単相となった試料につき硬度及び破壊靭性の実験測定を順次進めている.

今後の研究の推進方策

上記の5種類のTMからなる等原子量TMCに関する研究を引き続き行うとともに,強度(硬度)が最大となるTMCを同定し,その派生系として4種類及び3種類のTMからなる等原子量TMCに研究を拡張し,更に高い強度(硬度)をもつTMCを探索する.また,同時平行に研究を行っているTMB2についてもMSAD, 積層欠陥エネルギーの系統的計算を行い,回帰分析により個々のTM元素の果たす役割を解明し,強度(硬度)および破壊靭性の高いTMB2系を予測し,実験により実証するととともに,4種類及び3種類のTMからなる等原子量TMB2に研究を拡張し,更に高い強度(硬度)をもつTMB2の探索を行う予定である.同時に,MSADおよび積層欠陥エネルギーに及ぼす個々のTMの役割が回帰分析により解明されるが,その物理的な原因は現在未解明であり,個々のTM元素の電子構造,原子半径,対応するTMC, TMB2の電子構造,格子定数をガイドに物理的な要因の解明を行いたい

報告書

(2件)
  • 2023 審査結果の所見   実施状況報告書
  • 研究成果

    (27件)

すべて 2024 2023 その他

すべて 国際共同研究 (3件) 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 4件、 査読あり 4件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (19件) (うち国際学会 5件、 招待講演 7件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] オークリッジ国立研究所/オハイオ州立大学(米国)

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [国際共同研究] ルール大学ボッフム校(ドイツ)

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [国際共同研究] 国立清華大学(中華民国(台湾))

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Variation of first pop-in loads in nanoindentation to detect chemical short-range ordering in the equiatomic Cr-Co-Ni medium-entropy alloy2024

    • 著者名/発表者名
      Li Le、Du Jun-Ping、Ogata Shigenobu、Inui Haruyuki
    • 雑誌名

      Acta Materialia

      巻: 269 ページ: 119775-119775

    • DOI

      10.1016/j.actamat.2024.119775

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Intrinsic factors responsible for brittle versus ductile nature of refractory high-entropy alloys2024

    • 著者名/発表者名
      Tsuru Tomohito、Han Shu、Matsuura Shutaro、Chen Zhenghao、Kishida Kyosuke、Iobzenko Ivan、Rao Satish I.、Woodward Christopher、George Easo P.、Inui Haruyuki
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 15 号: 1 ページ: 1706-1706

    • DOI

      10.1038/s41467-024-45639-8

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] A new route to achieve high strength and high ductility compositions in Cr-Co-Ni-based medium-entropy alloys: A predictive model connecting theoretical calculations and experimental measurements2023

    • 著者名/発表者名
      Wang Zhi、Li Le、Chen Zhenghao、Yuge Koretaka、Kishida Kyosuke、Inui Haruyuki、Heilmaier Martin
    • 雑誌名

      Journal of Alloys and Compounds

      巻: 959 ページ: 170555-170555

    • DOI

      10.1016/j.jallcom.2023.170555

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Plastic deformation of single crystals of the equiatomic Cr-Fe-Co-Ni medium entropy alloy - A comparison with Cr-Mn-Fe-Co-Ni and Cr-Co-Ni alloys2023

    • 著者名/発表者名
      Li Le、Chen Zhenghao、Yuge Koretaka、Kishida Kyosuke、Inui Haruyuki、Heilmaier Martin、George Easo P.
    • 雑誌名

      International Journal of Plasticity

      巻: 169 ページ: 103732-103732

    • DOI

      10.1016/j.ijplas.2023.103732

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] BCC構造を持つTi-Zr-Nb系MEAsの変形組織および強化機構2024

    • 著者名/発表者名
      韓 恕、李 楽、陳 正昊、岸田 恭輔、乾 晴行
    • 学会等名
      日本金属学会2023年 春期(第174回)講演大会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Cr-Mn-Fe-Co-Ni系等原子量ハイ・ミディアムエントロピー合金単結晶の塑性変形2024

    • 著者名/発表者名
      李 楽、陳 正昊、鄭 晟皓、弓削 是貴、乾 晴行
    • 学会等名
      日本金属学会2023年 春期(第174回)講演大会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Cr-Co-Ni系MEA単結晶における双晶開始応力のCr濃度依存性2024

    • 著者名/発表者名
      外舘 真之介、李 楽、陳 正昊、岸田 恭輔、乾 晴行
    • 学会等名
      日本金属学会2023年 春期(第174回)講演大会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Design workflow for strength & ductility control in Cr-Mn-Co-Ni alloy system2024

    • 著者名/発表者名
      王 植、李 楽、陳 正昊、弓削 是貴、岸田 恭輔、乾 晴行
    • 学会等名
      日本金属学会2023年 春期(第174回)講演大会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] FCC型ハイエントロピー合金力学特性に及ぼす短範囲規則化の影響2024

    • 著者名/発表者名
      YU YUE、Li Le、Chen Zhenghao、岸田 恭輔、乾 晴行
    • 学会等名
      日本金属学会2023年 春期(第174回)講演大会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] [第69回本多記念講演]先進構造材料の結晶塑性における新展開 -ハイエントロピー合金を中心に2024

    • 著者名/発表者名
      乾 晴行
    • 学会等名
      日本金属学会2023年 春期(第174回)講演大会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Effects of Short-Range Ordering on Mechanical Properties of Single Crystals of the Equiatomic CrCoNi Medium-Entropy Alloy2023

    • 著者名/発表者名
      Haruyuki Inui、Le Li、Zhenghao Chen、Kyosuke Kishida
    • 学会等名
      2023 MRS Spring Meeting & Exhibit
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Effects of short-range ordering on mechanical properties of single crystals of the equiatomic CrCoNi medium-entropy alloy2023

    • 著者名/発表者名
      Haruyuki Inui、Li Le、Zhenghao Chen and Kyosuke Kishida
    • 学会等名
      2023 International Conference on High-Entropy Materials (ICHEM 2023)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Single-crystal mechanical properties of high- and medium-entropy alloys with the FCC structure2023

    • 著者名/発表者名
      Haruyuki Inui、Kyosuke Kishida、Zhenghao Chen and Le Li
    • 学会等名
      Beyond Nickel-Based Superalloys IV (BNBS IV )
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Plastic deformation of single crystals of high- and medium-entropy alloys with the FCC structure2023

    • 著者名/発表者名
      Haruyuki Inui
    • 学会等名
      THERMEC 2023
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 新規な構造材料としてのハイエントロピー合金2023

    • 著者名/発表者名
      乾 晴行
    • 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 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] FCC構造を有する三元系ミディアムエントロピー合金単結晶の塑性変形2023

    • 著者名/発表者名
      鄭 晟皓、李 楽、陳 正昊、岸田 恭輔、乾 晴行
    • 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 実施状況報告書
  • [学会発表] 等原子比Cr-Co-Niミディアムエントロピー合金におけるナノインデンテーションによる短範囲規則の検出2023

    • 著者名/発表者名
      李 楽、於 躍、陳 正昊、岸田 恭輔、乾 晴行
    • 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 実施状況報告書
  • [学会発表] Mn-Co-Ni等原子量合金の力学特性に及ぼす短範囲規則化の影響2023

    • 著者名/発表者名
      外舘 真之介、陳 正昊、岸田 恭輔、乾 晴行
    • 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 実施状況報告書
  • [学会発表] FCC型高・中エントロピー合金の塑性変形挙動に及ぼす短範囲規則化の影響2023

    • 著者名/発表者名
      YU YUE、Li Le、Chen Zhenghao、谷本 久典、岸田 恭輔、乾 晴行
    • 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 実施状況報告書
  • [学会発表] 20-1173KにおけるBCC型Ti-Zr-Nb系MEAsの降伏応力の温度依存性2023

    • 著者名/発表者名
      韓 恕、李 楽、陳 正昊、岸田 恭輔、乾 晴行
    • 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 実施状況報告書
  • [学会発表] BCC構造を有するTi-Zr-Nb系ミディアムエントロピー合金単結晶の塑性変形2023

    • 著者名/発表者名
      恩田 翔平、韓 恕、陳 正昊、岸田 恭輔、乾 晴行
    • 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 実施状況報告書
  • [学会発表] Alloy design of Cr-Mn-Co-Ni medium entropy alloy for high strength and high ductility2023

    • 著者名/発表者名
      王 植、李 楽、陳 正昊、弓削 是貴、岸田 恭輔、乾 晴行
    • 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 実施状況報告書
  • [学会発表] Single-Crystal Mechanical Properties of High- and Medium-Entropy Alloys with the FCC Structure2023

    • 著者名/発表者名
      Haruyuki Inui
    • 学会等名
      2023 MRS-T International Conference
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [備考] 京都大学大学院工学研究科材料工学専攻乾研究室ホームページ

    • URL

      http://imc.mtl.kyoto-u.ac.jp/

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書

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公開日: 2023-07-04   更新日: 2024-12-25  

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