| 研究課題/領域番号 |
16H06061
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
近藤 俊之 大阪大学, 工学研究科, 助教 (70735042)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| キーワード | 材料強度学 / ナノ材料 / 薄膜 / 疲労 / 繰返し塑性 |
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| 研究実績の概要 |
膜厚が100 nmオーダである自立金属ナノ薄膜の疲労き裂は，き裂前方に先行して入込み・突出しを形成し，これと主き裂が合体して進展する．この疲労き裂進展の支配力学を解明するには，金属ナノ薄膜の繰返し塑性構成式を解明し，これを用いたき裂先端応力・ひずみ場の定量評価が必要である．しかし，面内寸法がmmオーダの金属ナノ薄膜では，欠陥で変形が局所化し，低ひずみで破壊するため，き裂先端前方の高応力・高ひずみ領域に相当する繰返し塑性構成式を評価できない．そこで本研究では，欠陥を低減するために面内寸法が数μmである微小ナノ薄膜試験片（マイクロ試験片）を用いて繰返し塑性構成式を評価し，これを用いた有限要素法解析によりき裂先端応力・ひずみ場を特徴づける力学量を評価する．併せて，疲労き裂周囲の繰返し変形場（ひずみ場）を実測することでき裂閉口の寄与を解明する．これらの結果を比較・統合することで，金属ナノ薄膜の疲労き裂進展の普遍的な支配力学を解明する．
本年度は，マイクロ試験片の設計と作製プロセスの開発および繰返しマイクロ引張試験機の開発を行った．まず，現有の集束イオンビーム装置に電子/イオンビーム誘起蒸着システムとマイクロプローブシステムを増設した．これを用いて，面内寸法がmmオーダの金属ナノ薄膜中にマイクロ試験片を加工し，これをプローブでハンドリングする手法を確立した．つぎに，マイクロ試験片に対して精度よく引張荷重・繰返し引張荷重を負荷するために，サブ μNの荷重測定精度を有する荷重センサー，1 nmオーダの変位精度を有するピエゾアクチュエータおよび4軸ピエゾステージからなる試験機を開発した．これらを用いて，膜厚約500 nmの自立銅ナノ薄膜のマイクロ試験片に対する引張試験を実施した結果，面内寸法がmmオーダの金属ナノ薄膜に対する引張試験結果に比べてより高応力・高ひずみ領域の塑性特性を評価できた．
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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
本年度は，計画通りにマイクロ試験片の設計および作製プロセスの確立，およびその場電界放射走査型電子顕微鏡（FESEM）観察繰返しマイクロ引張試験機の開発を完了した．本試験機を用いたマイクロ引張試験法は，従来の引張試験方法に比べて高応力・高ひずみ領域の塑性特性を評価可能であることを確認しており，提案した試験手法によって欠陥の影響を低減して塑性特性を評価できることを実証した．繰返し引張負荷試験についても，プログラムの基本動作の確認が完了している．
また，疲労き裂周囲の繰返し変形場（ひずみ場）の実測に先立って，その場FESEM観察下で膜厚約500 nmの自立銅ナノ薄膜の疲労き裂進展試験を実施し，疲労き裂進展特性と進展挙動の基礎データを取得した．さらに，電子/イオンビーム誘起蒸着システムを用いて疲労き裂周囲に標点を付与する技術の予備検討を前倒しして実施した結果，規則的な標点を薄膜試験片上に配置できることを確認した．
以上の観点から，おおよそ当初の計画通りに進展していると結論できる．
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| 今後の研究の推進方策 |
開発した試験システムを用いて，膜厚約500 nmの自立銅ナノ薄膜のマイクロ試験片に対する繰返し引張試験を実施して，繰返し塑性構成式を評価する．そして，有限要素法解析による疲労き裂先端の繰返し応力・ひずみ場の定量評価に着手する．
並行して，その場FESEM観察疲労き裂進展試験において，電子/イオンビーム誘起蒸着システムを用いて疲労き裂周囲に標点を配置し，その場FESEM観察により疲労き裂周囲の繰返し変形場（ひずみ場）を実測することで，き裂閉口の定量評価を実施する．
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