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2021 年度 実績報告書

金属表面近傍の水素位置の可視化

研究課題

研究課題/領域番号 18H03849
研究機関国立研究開発法人物質・材料研究機構

研究代表者

板倉 明子  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 先端材料解析研究拠点, グループリーダー (20343858)

研究分担者 村瀬 義治  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 構造材料研究拠点, 主任研究員 (10354193)
青柳 里果  成蹊大学, 理工学部, 教授 (20339683)
研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2023-03-31
キーワード水素 / 水素透過 / 可視化 / 構造解析
研究実績の概要

この研究は、材料表面および近傍の水素の存在位置を走査型電子顕微鏡レベルの分解能で可視化し、動的環境・顕微視野で水素の挙動を観察することを目的としている。また、材料の化学組成・構造・粒界性格や転位と、水素透過挙動から、水素脆化の解釈を行う。超高真空環境に試料背面から水素を供給することで、真空側に透過する水素を電子遷移誘起脱離法で検出し、局所構造解析(結晶構造・結晶粒界性格・結晶方位)と水素透過特性とを、同一の空間分解能、同一の温度領域で画像化し対比する。
2021年度は、加工転位を入れたオーステナイト系ステンレス鋼試料について、数百枚の水素画像および構造解析画像(BCC分布およびFCC分布)を画像融合した後、マルチモーダルな画像解析(主成分分析・オートエンコーダ)を行い、各結晶相での表面水素分布の時間応答性から、拡散係数と拡散流量の算出を行った。その上で、拡散のモデルをつくり、パラメータとして実測値を入れたシミュレーション結果と比較することで、透過時に起こっている水素の挙動と構造との関係を説明した。
また、水素透過の定量計測を行うため、流量制御のできる透過フィルター(標準コンダクタンスエレメント)を用いた透過計測に着手した。
一方、2020年度までは主に構造材料を計測試料として用いていたが、水素精製のためのフィルター材料である、パラジウムやバナジウムなど高水素透過材料についての計測も開始した。それに伴い、高水素透過材料を計測するための装置と試料処理関係の特許出願を行った。

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

水素画像の時間応答性と構造解析の画像を用い、主成分分析で解析したところ、対応粒界において特異な水素拡散挙動を抽出することに成功した(2019年度)。スパースモデリングによる解析を加え、特異構造を明確に抽出し、結晶粒ごとの拡散係数を決定し(2020年度)、水素の拡散モデルを作ってシミュレーション結果と実験を対比させた(2021年度)。当初の予定研究が進んだため、また、シミュレーション結果から定量的な評価を行える段階に来たため、水素透過量の絶対値を測定するための、標準コンダクタンスエレメント(研究協力者の産総研の提供)による定量測定を始めた。
研究テーマは異なるが、所属グループの共同研究者らが、同一装置での研究で外部資金(科研費基盤B、科研費基盤C)を確保したため、さらなる装置の開発が進んでいる。そのため、現在までは水素透過量の小さい構造材料等の実験を中心に行っていたが、カーボンニュートラルを目指す社会で今後必要になると思われる水素フィルター材料に研究を拡大した。2022年度に必要になる高水素透過材料や表面酸化物、昇華性の高い材料を含んだ試料を計測するための試料ホルダーと試料処理についても特許出願中である。

今後の研究の推進方策

2021年度までは、水素を通しにくい、水素環境での利用が期待される構造材料を中心に進め、実用材料であるオーステナイト系ステンレスに転位(及びそれに沿って生じるマルテンサイト構造)を入れて固くした材料を用いて、透過水素の可視化の実験を行ってきた。また、そのような複合材料について、拡散のモデルを作り、シミュレーションを行うことで、拡散理論の解明を目指した。しかし、透過量の定量評価と直接比較するためには、よりモデリックな、構造と粒界を制御した試料が(理論と実測の比較のために)望ましい。単一構造と粒界のみの試料を作り、その水素透過計測と、画像化を行う予定である。
装置の開発に関しては、レーザーイオン化システムを用い、金属表面からの水素イオン(現在のESDでは水素イオンのみを検出)に加えて、ラジカルな中性水素原子を検出する手法に着手している。この手法で、より少ない透過量・透過位置の特定が可能になる。
逆に、(構造材料だけでなく)パラジウムやバナジウムなど水素フィルター材料に注目した実験には、高水素透過量を、水素計測環境である超高真空を邪魔せずに計測できる測定プロセスが必要であり、また、表面コーティングや鍍金材など、昇華性の高い元素を含む材料の研究も期待されている。これまで計測できなかった試料を、水素顕微鏡で計測できるようにし、開発した装置を広い材料研究に使用できる汎用装置として普及させるための改良を始める。

  • 研究成果

    (28件)

すべて 2022 2021 その他

すべて 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 5件、 オープンアクセス 5件) 学会発表 (17件) (うち国際学会 5件、 招待講演 6件) 図書 (1件) 備考 (2件) 産業財産権 (3件) (うち外国 2件)

  • [雑誌論文] オペランド水素顕微鏡による水素透過の可視化2022

    • 著者名/発表者名
      板倉明子、宮内直弥
    • 雑誌名

      金属

      巻: 92 ページ: 256-263

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 2step reaction kinetics for hydrogen absorption into bulk material via dissociative adsorption on the surface2021

    • 著者名/発表者名
      Taro Yakabe, Gaku Imamura, Genki Yoshikawa, Naoya Miyauchi, Masahiro Kitajima & Akiko N. Itakura
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 11 ページ: 18836-1-18836-6

    • DOI

      10.1038/s41598-021-98347-4

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 鉄鋼試料中水素拡散評価を目指したマルチモーダルデータ解析2021

    • 著者名/発表者名
      青柳里果、秋山智美、鈴木菜摘、宮内直弥、板倉明子
    • 雑誌名

      Vacuum and Surface Science

      巻: 64 ページ: 472-475

    • DOI

      10.1380/vss.64.472

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Aging Analysis of Reference Sample Surface Using Helium Ion Microscopy2021

    • 著者名/発表者名
      Keiko Onishi, Seiko Nagano, Daisuke Fujita, Taro Yakabe & Akiko N. Itakura
    • 雑誌名

      Vacuum and Surface Science

      巻: 64 ページ: 424-429

    • DOI

      10.1380/vss.64.424

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Proposal of Diffusion Model Obtained from Time-resolved Hydrogen Permeation Measurement with Operando Hydrogen Microscopes2021

    • 著者名/発表者名
      Akiko N. Itakura, Yoshiharu Murase, Taro Yakabe, Naoya Miyauchi , Masahiro Kitakjima and Satoka Aoyagi
    • 雑誌名

      Vacuum and Surface Science

      巻: 64 ページ: 568-574

    • DOI

      10.1380/vss.64.568

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 水素透過の実時間可視化からみる水素拡散モデル2022

    • 著者名/発表者名
      板倉明子、宮内直弥、矢ヶ部太郎、青柳里果
    • 学会等名
      日本表面真空学会2022年度 関東支部講演大会
    • 招待講演
  • [学会発表] Visualization of Hydrogen Permeation Through Stainless Membrane Using Electron Stimulated Desorption2022

    • 著者名/発表者名
      Akiko N. Itakura
    • 学会等名
      Microscopy and Microanalysis (M&M) 2022 Meeting
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Hydrogen diffusion behavior by image analysis of time depending operando hydrogen microscope2022

    • 著者名/発表者名
      板倉明子、宮内直弥、矢ヶ部太郎、村瀬義治、青柳里果
    • 学会等名
      先端計測シンポジウム2022
  • [学会発表] 水素センシングと水素吸着・吸蔵の理論モデル2022

    • 著者名/発表者名
      矢ヶ部太郎、今村岳、吉川元起、宮内直弥、北島正弘、板倉明子
    • 学会等名
      先端計測シンポジウム2022
  • [学会発表] Quantification of ESD measurements using standard conductance elements2022

    • 著者名/発表者名
      Naoya Miyauchi, Taro Yakabe, Masahiro Kitajima, Hajime Yoshida, and Akiko N. Itakura
    • 学会等名
      THE 22ND INTERNATIONAL VACUUM CONGRESS
    • 国際学会
  • [学会発表] 水素センサーの開発と表面吸着を経た水素吸蔵現象理論モデル2021

    • 著者名/発表者名
      矢ヶ部太郎、今村岳、吉川元起、北島正弘、板倉明子
    • 学会等名
      先端計測シンポジウム2021
  • [学会発表] Measurement of hydrogen diffusion in metal using time-resolved electron stimulated desorption2021

    • 著者名/発表者名
      板倉明子、村瀬義治、矢ヶ部太郎、青柳里果、宮内直弥
    • 学会等名
      先端計測シンポジウム2021
  • [学会発表] Local Permeation of Hydrogen through Stainless Steel Measured by Hydrogen Microscope2021

    • 著者名/発表者名
      板倉明子、村瀬義治、矢ヶ部太郎、宮内直弥、青柳里果
    • 学会等名
      第30回日本MRS年次大会
    • 招待講演
  • [学会発表] Women in Physics seen in the Survey on Research environment in JPS2021

    • 著者名/発表者名
      Mihoko Nojiri, Akiko N. Itakura, Chihoko Nonaka and Mamiko Sasao
    • 学会等名
      IUPAP 7th International Conference on Women in Physics
    • 国際学会
  • [学会発表] Activities for diversity in physics field in Japan2021

    • 著者名/発表者名
      Atsushi Matsuda, Noriko Chikumoto, Atsuko Ichikawa, Emiko Hiyama and Akiko N. Itakura
    • 学会等名
      IUPAP 7th International Conference on Women in Physics
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] オペランド水素顕微鏡による水素の時間分解透過測定2021

    • 著者名/発表者名
      板倉明子、村瀬義治、矢ヶ部太郎、宮内直弥
    • 学会等名
      日本学術振興会 69委員会 非鉄製錬 講演会
    • 招待講演
  • [学会発表] オペランド水素顕微鏡の開発とその展開2021

    • 著者名/発表者名
      板倉明子
    • 学会等名
      第5回TIAかけはし 成果報告会
    • 招待講演
  • [学会発表] 鉄鋼試料における水素分布と結晶構造に関するマルチモーダルデータの評価2021

    • 著者名/発表者名
      林大介、宮内直弥、村瀬義治、板倉明子、青柳里果
    • 学会等名
      2021年日本表面真空学会学術講演会
  • [学会発表] Diffusion Model of Hydrogen Permeating in Stainless Steel2021

    • 著者名/発表者名
      Akiko N.Itakura, Yosh, Yoshiharu Murase, Taro Yakabe, Masahiro Kitajima, Naoya Miyauchi and Satoka
    • 学会等名
      The 9th International Symposium on Surface Science
    • 国際学会
  • [学会発表] 水素の吸着・吸蔵現象の反応速度論を用いた理論モデル2021

    • 著者名/発表者名
      矢ヶ部太郎、今村岳、吉川元気、宮内直弥、北島正弘、板倉明子
    • 学会等名
      2021年日本真空表面学会学術講演会
  • [学会発表] 標準コンダクタンスエレメントを用いたESD計測の定量化の試み2021

    • 著者名/発表者名
      宮内直弥、矢ヶ部太郎、北島正弘、吉田肇、板倉明子
    • 学会等名
      2021年日本真空表面学会学術講演会
  • [学会発表] 水素可視化による金属中水素透過挙動の解析2021

    • 著者名/発表者名
      宮内直弥、村瀬義治、北島正弘、吉田肇、板倉明子
    • 学会等名
      VACUUM2021真空展
  • [図書] 図説 表面分析ハンドブック2021

    • 著者名/発表者名
      板倉明子,森山匠,近藤剛弘,他
    • 総ページ数
      576
    • 出版者
      朝倉書店
    • ISBN
      978-4-254-20170-3
  • [備考] 表界面物理計測グループHP

    • URL

      https://www.nims.go.jp/research/group/surface-physics-characterization/

  • [備考] Observing H corrosive effects on metals

    • URL

      https://www.youtube.com/watch?v=QoGNjfwHCbA

  • [産業財産権] 水素透過検出のための試料及びその製造方法2022

    • 発明者名
      中村明子、矢ヶ部太郎、宮内直弥
    • 権利者名
      物質・材料研究機構
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特願2022-057858
  • [産業財産権] 観測対象ガスの観測装置及び観測対象イオンの観測方法並びに試料ホルダ2021

    • 発明者名
      中村明子、村瀬義治、宮内直弥、矢ヶ部太郎
    • 権利者名
      物質・材料研究機構
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      PCT/JP2021/017111
    • 外国
  • [産業財産権] 水素透過検出用試料ホルダー及び水素透過拡散経路観測装置2021

    • 発明者名
      中村明子、矢ヶ部太郎、宮内直弥
    • 権利者名
      物質・材料研究機構
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      PCT/JP2021/030476
    • 外国

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公開日: 2022-12-28  

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