| 研究領域 | ミルフィーユ構造の材料科学-新強化原理に基づく次世代構造材料の創製- |
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| 研究課題/領域番号 |
21H00108
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| 研究種目 |
新学術領域研究(研究領域提案型)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 審査区分 |
理工系
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| 研究機関 | 豊田工業大学 |
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研究代表者 |
椎原 良典 豊田工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (90466855)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2023-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)
2022年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
2021年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
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| キーワード | ミルフィーユ合金 / 第一原理計算 / 原子応力 / 弾性係数 / MAX相 / ミルフィーユ構造 / 局所弾性定数 / キンク形成 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
ミルフィーユ構造は積層構造を持つヘテロ合金相であり，強度などに優れた機械的特性を持つ．その機構はキンク変形にあると考えられているが，その形成機構には未だ謎の部分が多い．本研究では，連続体座屈理論をミルフィーユ構造でのキンク形成学理へと延伸するために，独自手法である第一原理原子応力計算を用いてミルフィーユ構造（Mg-LPSO相およびMAX相）内部の局所弾性係数を明らかとする．
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| 研究実績の概要 |
本研究課題では，マクロ材料での座屈によるキンク形成に着目し，そこでの座屈理論をミルフィーユ構造での座屈へ転用することを試みる．その達成には，ミルフィーユ構造を構成する硬質層，軟質層の弾性係数が必要であるが，計算により原子レベルの局所的弾性係数を評価する方法は未だ確立されていない．一方で，マクロレベルでのミルフィーユ構造を持つ炭素繊維積層板材では，荷重下でのせん断弾性定数の変化が，座屈を誘導するずれ，いわゆる，初期不整につながると考えられている．このような，巨視的レベルで見られる現象が，ナノレベルでのミルフィーユ構造を持つ材料においても生じるかどうかは興味深い．従って，まずはミルフィーユ構造での局所的弾性係数の計算法を確立することを目指している．
今年度研究においては，対象をMAX相と呼ばれるTi3AC2構造(A = Al, Ga, In, Si, Ge, Sn)に定め，量子力学に基づく第一原理計算を用いてMAX相内部の局所弾性係数を明らかとすることを目的とした．さらに，圧縮ひずみ下のせん断剛性の変化について調べた．局所弾性定数は，独自手法である原子応力計算法とGulletらによる原子ひずみ計算法を併せて用いることで計算した．
ここでは，MAX相を軟質層（Ti-A-Ti）と硬質層（Ti-C-Ti-C-Ti）に分けて各々の局所弾性係数を計算した．元素Aの差異に応じて剛性は異なる局所弾性係数が得られた．ここで対象とした元素Aでの剛性傾向は，13族 < 14族，また周期について，第3 < 第4 < 第5である．得られた局所弾性は概ねこの傾向を再現した．
圧縮ひずみ下での計算では，MAX相のミルフィーユ構造としての座屈を想定して，面内方向に圧縮ひずみを加えながら，局所弾性定数を評価した．その結果，元素Aの選択に関わらず，圧縮ひずみによってせん断剛性の軟化が生じることが明らかとなった．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
当該年度の計画は，(1) 原子構造を作成し，第一原理計算を実施する，(2) 原子応力計算を実施する，(3) 得られた原子応力のセットから，局所弾性係数を評価する，(4) MAX層について，荷重下の局所弾性係数評価を実施する，の４項目としていた．上述の通り，この全てを達成できたため，この評価としている．
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| 今後の研究の推進方策 |
申請当初の計画では，同様のミルフィーユ構造であるMg基LPSO相へ同様の局所弾性計算を展開する予定であった．しかし，MAX相における圧縮ひずみによるせん断剛性の低下(前年度研究により確認)は，大きくとも50%程度と著しいものではなかった．従って，圧縮ひずみによる軟質相におけるすべり特性への影響を併せて調査する方向へと計画を変更する．具体的には，一般化積層欠陥エネルギー曲面としてのgamma-surfaceが面外方向からの圧縮ひずみによりどのように変形するかを調べる．すでに，圧縮ひずみによって軟質層のせん断剛性が軟化することは確認済みであり，そのことは原子結合の弱化を意味すると考えられる．従って，軟質層-硬質層界面（Ti-A界面）で生じる，原子結合の切断を伴うすべり特性についても同様の変化が期待できる．この仮説を検証するとともに，その機構を電子論的に解明する．
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