先進材料の開発,特性評価およびその応用

1992 年度 研究成果報告書概要

• 研究課題/領域番号: 02045025
• 研究種目: 国際学術研究
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 大学協力
• 研究機関: 徳島大学
• 研究代表者: 河野 清 徳島大学, 工学部, 教授 (00035594)
• 研究分担者: A. M.ブライアント オークランド大学, 工学部, 講師 ; J. J.J.チェン オークランド大学, 工学部, 講師 ; D. バタチャリヤ オークランド大学, 工学部, 講師 ; G. モルトチャニスキー オークランド大学, 工学部, 講師 ; G. A.ライト オークランド大学, 工学部, 准教授 ; J. B.メトソン オークランド大学, 工学部, 講師 ; W. G.ファーガリン オークランド大学, 工学部, 准教授 ; R. M.シャープ オークランド大学, 工学部, 教授 ; B. J.ウェルチ オークランド大学, 工学部, 教授 ; 島 弘 徳島大学, 工学部, 助教授 (00196461) ; 吉田 憲一 徳島大学, 工学部, 助教授 (50200986) ; 英 崇夫 徳島大学, 工学部, 助教授 (20035637) ; 稲葉 達一 徳島大学, 工学部, 助教授 (90035593) ; 村上 理一 徳島大学, 工業短期大学部, 教授 (00112235) ; 中林 一朗 徳島大学, 工学部, 教授 (70035624) ; 森吉 孝 徳島大学, 工学部, 教授 (40035598)
• 研究期間 (年度): 1990 – 1992
• キーワード: 電極材料 / イオンビーム法 / 窒化チタン薄膜 / X線回析法 / HIP処理 / ガラス繊維強化ポリマー / SIMS分析 / セラミック

研究概要

1.先進材料の開発
(1)燃料電池に使用可能な電極の開発:ニッケル表面にアルミニウムを被覆した電極の性能は,温度とアルミニウム/ニッケルの比の増加につれて改善した。そして,電極を製造するときの温度が高いほど,ニッケルに被覆したアルミニウムの比の影響は低下した。
(2)軟質炭酸カルシウムの合成及び結晶化:カルシウムの結合エネルギーは炭酸カルシウムの形成の増加とともに高結合エネルギー側に移動することを見い出した。これは初期段階のカルシウムイオン濃度の現象がアモルファス形成に起因することを明らかにした。
(3)窒化チタン薄膜を被覆する手法の開発:高い蒸着速度で創製した薄膜には酸素や炭素のような不純物が多く混入した。チタンと窒素の割合が1:1の窒化チタン薄膜の組織は密で均質であったのに対し,チタンの量が2倍になるとより組織は粗くなった。
(4)材料表面にセラミック薄膜を積層する手法の開発:薄膜の積層化は硬さや密着力にはほとんど影響を与えないことがわかった。摩擦摩耗特性は,薄膜の密着挙動と強い影響を受け,剥離が容易に生じると硬い薄膜によって摩耗が促進することが明きらかとなった。
(5)アルミニウムを効率よく精錬するために使用する炭素電極の開発:電極の支配的挙動はアルミニウム精錬のとき,電極の底表面に生じることを明らかにした。その電極の汚染は陽極で生じるガスによってもたらされる。低い電流密度は電極の荒らされた形状と関係した。
2.先進材料の特性評価
(1)脂肪族アミン水溶液の圧縮性質の組成依存性:圧縮性質がアミン分子のアルキル基のサイズに依存することが明らかにされた。また,代替フロン等各種圧縮流体の誘電特性が温度および圧力の関数として測定され,臨界相対誘電率,分極率,双極モーメント等が決定された。
(2)各種分析法における性能向上:XPS法によりごく表面層に有機カーボンと金属酸化層の存在,AES法により膜の断面にわたってTi:Nが1:1であることを確認した。電子顕微鏡をはじめとして,SIMS,XPS,AESなどの手法が機能性表面を有する新材料創製の際の分析に欠かせない方法であることが示された。
(3)AE法およびX線法による特性評価:AE法はアルミナ,ジルコニアのセラミック材料に対して破壊靱性値を求める有力な手法になること,また,スパッタリング生成によりc軸配向したAlN膜の残留応力をX線的に解折する新しい手法をして調ベ,膜内部に非常に大きい残留応力の存在を認めた。
(4)複合材料の特性評価:アルミニウム母材に微小な球形アルミナ粒子を含有した複合材料は優れた性能の材料であることが確認された。HIP処理の応用が先進材料を開発する際に組織の緻密化をはかる上で有用な方法であることが確認された。
(5)腐食挙動に対する組成比の影響:PVD法による生成したTiN皮膜のピンホール状表面欠陥の形成および膜剥離の状況,Galfan浴中での低炭素鋼への金属間化合物の生成と成長をSEM,X線回析,EDSなどの手法を用いて,炭素鋼基板上にFe_2Al_5-Zn_X,FeAl_3-Zn_Xの金属間化合物の生成過程を詳細に研究された。
3.先進材料の応用
(1)セラミックスの建設材料への応用:セラミックスは強度が高く,温度膨張係数がコンクリートとほぼ同じであるために,大型構造物あるいは蒸気養生などの過酷な条件においても鉄筋を精度よく配置できる能力があること,およびかぶりコンクリートとの馴染みが良いために,鉄筋の腐食に対する抵抗性が大きいことを明らかにした。
(2)高強度コンクリートの建設構造への応用:強度,ヤング係数および応力比が小さいときのクリープは従来の式を拡張することにより算定することができるが,応力比が大きいときのクリープは従来の式を延長したものではクリープ量を過大評価することを明らかにした。

研究成果

• [文献書誌] R.MURAKAMI and W.FERGUSON: "The Effects of Marine Environment on Corrosion Fatigue Crack Propergation Rate of Pure Titanium and its Weldment in Natural Seawater" Fatigue & Fract.of Mater.Struct.16. (1993)
• [文献書誌] H.SHIMA,H.MIZUGUCHI and K.KOHNO: "Creep Behavior of Bond between Steel Bar and Concrete" Residual Stresses III. 1. 423-428 (1992)
• [文献書誌] T.INABE,R.MURAKAMI,M.KATSUMURA and T.YANO: "Surface Defect,Corrosion and Film Composition of Titanium Nitrode Coateol Steel,and Application of Ultrasonic Microscope" Proc.of the Processing of Properties and Applications of Metallic and Ceramic Materials. 1. 473-478 (1992)
• [文献書誌] D.BHATTACHARYYA,R.RICHARDS and A.SOMUSHEKAR: "Modelling of Metal Extrusion using the PHOENICS package" J.Materials Processing Technology. 35. 93-111 (1992)
• [文献書誌] M.INMAN,R.SHARP and G.WRIGHT: "Development of an Erosion-Corrosion Test Facility for Geothermal Steam Condensate" Proc.14th N.Z.Geothermal Workshop. (1992)
• [文献書誌] T.HANABUSA and H.FUJIWARA: "Influence of Micro-Stress on X-Ray Residual Stress Analysis" Current Japanese Matenials Research. 10. 47-72 (1992)
• [文献書誌] K.KOHNO,J.SUDA,K.MIYAZAWA,N.KAKIMI and M.SUZUKI: "Comparison of Fundamental Properties sf Concrete Using New-and Old-type Steel Fiber,Fiber reinforced Cement and Concrete" RILEM. 51-60 (1992)
• [文献書誌] Y.UOSAKI,S.KITAURA,F.IWAMA ans T.MORIYOSHI: "Compressions of Some Amides at Pressure up to 200MPa and at the Temperature 298.15K" J.Chem.Thermodyn.23. 1125-1130 (1991)
• [文献書誌] R.MURAKAMI,M.KATSUMURA and T.YANO: "Surface Defect,Corrosin and Film Composition of Titanium Application of Ultrasonic Microscope" Proc.The Processing of Properties and Applications of Metallic and Ceramic Materials. 1. 437-478 (1992)
• [文献書誌] T.TOMIDA,K.OKAMURA,T.ASHIDA and I.NAKABAYASHI: "Relation between the Conditions of Preparation and the Polarization Characteristics of Spongy Raney Nickel Electrodes Used as Anodes for Fuel Cells" J.Electrochem.Soc.139. 981-984 (1992)
• [文献書誌] K.KUSAKA,K.TOMINAGA and H.FUJIWARA: "Dependence of Substrate and Its Temperature on Residual Stress Development in AIN Films Deposited on Glasses by Magnetron Sputtering Method" Nondestructive Testing & Stress-Strain Measurement,FENDT'92. 2. 390-397 (1992)
• [文献書誌] K.YOSHIDA,A.TAKAHASHI,K.SAKAMAKI and H.TAKAGI: "Evaluation of Stress Induced Martensitic Transformation Velosity in Cu-Al-Ni Shape Memory Alloy Single Crystals by Acoustic Emission Method" Progress in Acoustic Emissin. 6. 497-503 (1992)
• [文献書誌] R.MURAKAMI,T.AKAZAWA,T.YANO and M.KATSUMURA: "The Effect of TiN Film Thickmess on Fatigue Strength for the Steel Modified by Dynamic Mixing Method" Advances in Electronic Packaging. 2. 655-660 (1992)
• [文献書誌] K.YOKOI,H.SHIMA and H.MIZUGUCHI: "Applicability of Shear Strength Equations for RC Beams to Concrete Beams Reinforced with FRP Rods" Tranceactions of the Japan Concrete Institute. 14. 247-252 (1992)
• [文献書誌] N.G.GREGORY,W.G.FERGUSON and D.BHATTACHARYYA: "Fiber-matrix Interface Studies of Saffil-Aluminium Composites" NZ Materials Symposium,Lower Hutt. (1992)
• [文献書誌] G.R.WAKEFIELD and R.M.SHARP: "The Composition of Oxides Formed on Al-Mg Alloys" Applied Surface Science. 51. 95-102 (1991)
• [文献書誌] M.E.IHMAN,R.M.SHARP G.A.WRIGHT and P.T.WILSON: "Development of an Errosion-Corrosin Test Facility for Steam Condensate" Proc.14th N.Z.Geothermal Workshop. (1992)
• [文献書誌] S.MHUME,M.RUTLEY,B.J.WELCH and R.C.PERRUCHOUD: "The Influence of Low Current Densities on Anode Performance" Light Metals. 687-692 (1992)
• [文献書誌] D.Bhattacharyya,G.Murti,J.L.Mihelich,K.Xia and M.J.Couper: "Machinability Study on a Ceramic Microsphere-Reinforced Aluminium Matrix Composite" Soc.of manufacturing Engineers,Tech Paper No EM 92. 254- (1992)
• [文献書誌] P.A.DEARNLEY,M.M.HYLAND,J.B.METSON and K.A.ROBERTS: "Analysis of Vacuum Plasma Sprayed α-Ti" J.Mat.Sci.Letters. 10. 884-886 (1992)
• [文献書誌] Z.W.CHEN,J.T.GREGORY and R.M.SHARP: "Intermetallic Phase Formed During Hot Dipping of Low Carbon Steel in a Zn-5%AL Melt at 450℃" Metalluagical Transactions A. 2392-2400 (1992)
• [文献書誌] N.R.BROWN,D.BHATTACHARYYA and G.MOLTCHNIWSYIj: "Use of the Double Torsion Specimen to Study the Interface in Fiber Reinforced Plastics" Composites:Design,Manufacture & Processing,ICCM 8. 36-K-1-9 (1991)
• [文献書誌] 森吉 孝,他: "高圧流体技術" 丸善, 350 (1992)