| 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 |
18H05481
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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
藤居 俊之 東京工業大学, 物質理工学院, 教授 (40251665)
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| 研究分担者 |
中島 英治 九州大学, 総合理工学研究院, 教授 (80180280)
SVADLENKA KAREL 京都大学, 理学研究科, 准教授 (60572188)
稲邑 朋也 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 教授 (60361771)
垂水 竜一 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (30362643)
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| 研究期間 (年度) |
2018-06-29 – 2023-03-31
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| キーワード | キンク形成 / キンク強化 / ミルフィーユ構造 / 回位 / 微分幾何学 |
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| 研究実績の概要 |
本年度の具体的な研究実績を以下に記す。
(1)中島は，一方向凝固したLPSO相の室温その場圧縮変形を行い，底面すべりが局所化することで結晶方位回転領域が形成され，それがキンクの前駆組織であることを見出した。また，研究協力者の光原との共同研究によって，LPSO相に形成されたくさび型キンクの三次元形態を調査し，キンク先端部が回位線として曲線形状を呈することを明らかにした。さらに，キンクの生成・成長を回位の運動によって動力学的に説明可能な道筋を提示した。
(2)シュワドレンカは，変分原理に基づいた数理モデルによるキンク形成の再現を試み，層状構造体の圧縮変形過程をrate-independent系のエネルギー散逸過程として解析した。このモデルをより精緻化すれば，間欠的なキンク形成を伴ったミルフィーユ構造体の変形が再現可能であると予測した。また，海外研究者との共同研究の基盤形成を目的として，国際ワークショップを主催した。
(3)稲邑は，くさび型キンクの界面において，変位の連続性を保つための幾何学的適合条件となるRank-1接続条件を満たすには，キンク界面に回位の導入が必要となることを明らかにした。また，複数のキンクが回位を対消滅させるように形成されることがキンク強化になり得る可能性を示した。
(4)垂水は，微分幾何学を取り入れた非線形弾性論に基づいて，配列した転位ループの数理モデルを構築した上で大規模数値計算を行い，キンク変形の巨視的形態を再現するとともに，転位周辺の応力場を定量的に求めた。
(5)藤居は，ロシアITMO大学のRomanov氏との共同研究を進め，粒界上回位双極子から新たな回位双極子が分岐・放出されることでキンク形成されるモデルにより，キンク形成に要する外部せん断応力を定量的に求め，A02班の萩原らがLPSO相の圧縮試験により得た降伏応力とよい一致を示すことを明らかにした。
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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
研究開始当初から，研究期間の前半2年間までは，キンク形成に着目した研究を行うことと計画しており，本年度は，交付申請時の方針に沿って研究が遂行できた。具体的には，一方向凝固させた単相LPSOの圧縮変形中のその場観察により，キンク前駆組織としての結晶方位変化領域の生成を発見するとともに，発達したくさび形キンクの三次元形態も明らかにできた。これらの成果はキンク形成機構を回位の運動として動的に説明可能であることを予見するものであり，キンク形成理論確立に向けて研究の深化が進んでいる。また，研究者間で情報共有による各種の実験結果と理論解析結果との比較が行われ，理論の検証も着実に実行されてきた。さらに，研究会やワークショップを通して，領域内研究者のみならず，海外研究者との連携も進み，異分野融合によるキンク形成の理論的検討が進展した。以上のことから，研究当初に掲げた研究目的を達成するために，本年度は着実な研究成果をあげていると自己評価した。
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| 今後の研究の推進方策 |
主担当ごとに今年度の計画を以下に記す。
(1)中島：キンクまたはその前駆組織の微細組織解析から，回位の運動を考察し，キンク形成理論の構築を目指す。また，キンク導入後の材料の再変形により，転位すべりとキンクの相互作用やキンク周囲での結晶格子回転の様子を観察し，キンク強化理論構築に資する知見を得る。
(2)シュワドレンカ：これまでに構築した層状構造の幾何学的な数理モデルを活用し，キンク形成条件の精査と定量化を行う。変分手法に基づいた数理解析およびレベルセット手法を用いたシミュレーション結果と実験結果を比較し，種々のミルフィーユ構造におけるキンク形成機構を明らかにする。
(3)稲邑：キンクの観察結果を基に，rank-1接続および回位に基づくキンク組織の描像が妥当か検証する。くさび型回位に加え，ねじれ型回位の形成も考慮してキンク形成時の回位の対消滅モードを理論的に明らかにするとともに，他班と密に連携して組織形成およびキンク強化に与える回位対消滅の効果を検証する。なお，キンクの顕微鏡観察をより精緻化すべく，顕微鏡システムの増強を図るため，令和２年度に顕微鏡関連備品の購入を計画している。
(4)垂水：微分幾何学に基づくキンク変形モデルの高精度化を継続して進める。特に，キンク構造のエンブリオとしての転位ループの役割に着目し，初期段階におけるキンク形成とその後の成長過程について，材料多様体理論と大規模数値解析による非線形力学場の定量評価を行う。
(5)藤居：回位双極子の運動を考慮したエネルギー論により，キンク形成応力の理論的予測を高度化させる。また，実験結果から強化に寄与するキンクの本質的特徴を抽出し，キンクの存在により生じる付加的強度の定量化を進める。さらに研究代表者として，班内外の異分野融合を一層強化して，多様な視点から理論の検証を行い，領域全体の実験結果と矛盾のない理論構築を実現させる。
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