| 研究課題/領域番号 |
20H05653
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| 研究機関 | 京都大学 |
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研究代表者 |
平方 寛之 京都大学, 工学研究科, 教授 (40362454)
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| 研究分担者 |
嶋田 隆広 京都大学, 工学研究科, 教授 (20534259)
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| 研究期間 (年度) |
2020-08-31 – 2025-03-31
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| キーワード | 材料強度 / 電子 |
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| 研究実績の概要 |
本年度は、１．電子/ホール注入材に対する強度実験、２．疲労・クリープ特性への展開のための実験システムの構築、３．電子注入材の強度解析、および、４．電子応力理論の構築に取り組んだ。研究実績の概要は以下の通りである。
１．前年度に引き続き、電子注入材に対する強度試験を実施した。主要な成果として、Siの原子間結合強度に及ぼすAnomalous電子の影響を実験的に検討して、電子線照射によるホール注入により原子間結合の引張強度に相当する破壊じん性が増大することを明らかにした。さらに、絶縁体材料である合成石英を供試材として、Anomalous 電子の注入・保持とそれらの条件下での強度評価試験法を確立した。
２．疲労特性やクリープ特性に及ぼすAnomalous電子の影響を検討すめ、前年度までに開発した電子注入方法および力学試験方法を基に、電子／ホール制御条件下において疲労およびクリープ試験ができる力学試験システムを導入して、必要な追加改造を施した。これにより、多様な変形・破壊現象に対するAnomalous 電子の影響を解明する実験基盤を構築した。
３．前年度までに構築した計算環境により、共有結合性、イオン結合性、金属結合性の典型材料を対象として電子注入材に対する強度解析を実施した。これにより、実験に供する対象材料の理論予測を行うとともに、強化機構の体系化と法則解明に向けてデータを拡充した。
４．Anomalous電子の影響を統一的に理解するために、量子力学を基礎として電子論まで拡張した応力概念（電子応力）を提案し、これに基づいて結合の力学状態を直接的かつ陽に反映した応力の解析法（第一原理電子応力解析法）を開発した。これにより、Anomalous 電子による結合強度変化の機構を根源的な観点から統一的に理解する理論的基盤を構築した。
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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
令和4年度までに計画していた、実験方法の確立と計算環境の構築、およびこれらによる中核的な実験・解析を概ね計画通りに遂行できた。
構築した実験方法を用いて得たZnOのせん断強度やSiの引張強度に関する主要な成果は既に論文誌に発表した。また、絶縁体材料に対するAnomalous 電子の注入・保持とそれらの条件下での強度評価試験法を確立して、合成石英の強度特性（破壊じん性）が電子注入・保持（静電気の注入）によって変化することを示唆する実験結果を得た。一方、第一原理強度解析により、実験的に実現可能な余剰電子/ホールの注入により強度が３～５割と大きく変化することを明らかにした。共有結合性の材料では、引張強度は、余剰電子のドープに伴い単調に低下し、ホールのドープにより単調に増大した。せん断強度は、余剰電子ドープに伴い単調に向上し、ホールドープに伴い単調に低下した。これらの傾向は、実験結果と整合しており、Anomalous電子による強度変化が実験と理論解析により実証された。
さらに、疲労・クリープ試験への展開、およびマルチフィジックス特性への展開についても実験方法の検討や基礎的研究に着手しており、今後の研究遂行に問題はない。
以上より、これまでに達成してきた研究成果を基に、次年度以降に研究を進めることにより、当初研究計画通りの研究成果・研究目標を達成できると自己評価している。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後は本研究をさらに深化させる段階であり、以下の項目を実施する。
１．電子/ホール注入材に対する強度実験：引き続き、電子注入材に対する強度試験を実施してデータの拡充を図る。前年度までに確立した絶縁体材料に対するAnomalous 電子の注入・保持方法を用いて、注入電子と強度変化の関係を解明するとともに、注入したAnomalous電子の解消方法を確立して、強度の書き換え特性（リライタブル性）を評価する。さらに、Anomalous電子の影響が顕著になると予測している異材界面への電子注入および強度変化特性評価のための実験方法を確立する。
２．疲労・クリープ特性への展開：疲労特性やクリープ特性に及ぼすAnomalous電子の影響を検討するため、前年度までに導入・整備した力学試験装置を用いて、繰返し負荷および長時間の荷重負荷試験を実施して、電子／ホール制御条件下における疲労およびクリープ特性を評価する。これにより、多様な変形と破壊現象に対するAnomalous 電子の影響を解明するための基盤を確立する。
３．電子注入材の強度解析：前年度までに実施した共有結合性、イオン結合性、金属結合性の典型材料に対する強度解析結果を基に、引き続き電子注入材に対する強度解析を系統的に実施してデータを拡充する。これにより、結合様式や負荷モードによる強化法則の体系化を目指す。
４．強化機構の解明：実験と解析によって得たAnomalous電子注入材の強度特性とその電子応力状態解析結果を基に、Anomalous 電子による強化機構を電子論に基づいて解明する。
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