マントル物質のレーザその場溶岩生成に基づくセラミックス溶接の可能性探索

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20K05122
• 研究機関: 国立研究開発法人海洋研究開発機構
• 研究代表者: 川人 洋介 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 付加価値情報創生部門, 上席研究員 (70379105)
• 研究分担者: 伊藤 元雄 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 超先鋭研究開発部門(高知コア研究所), 調査役 (40606109) ; 嶋根 康弘 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 超先鋭研究開発部門(超先鋭研究プログラム), 准研究副主任 (40638251) [辞退] ; 松井 洋平 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 超先鋭研究開発部門(超先鋭技術開発プログラム), 特任技術副主任 (90756199) [辞退] ; 鄭 美嘉 国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構, 作物研究部門, 研究員 (00846438) ; 真砂 啓 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 付加価値情報創生部門, 技術副主幹 (70510551)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: レーザ溶接 / セラミックス / マントル物質 / レーザその場溶岩生成

研究実績の概要

我々は、地球内部のマントルではあらゆる物質が一体化しており、その原理を解明すれば、溶接不可能材料であるセラミックス同士でも溶接ができる可能性があることに注目した。本研究では、レーザ加熱によるマントル物質の溶融挙動の解明に基づき、独自開発したレーザその場溶岩生成プロセスを再設計し、相変態挙動を制御することで、高出力レーザを用いた簡易的な新セラミックス溶接法の可能性を探索した。
実施項目１（マントル物質の一体化機構の解明）では、高出力レーザ照射前後のマントル物質のXRD測定結果から、溶接において注目すべき元素が酸素であることがわかった。
実施項目２（セラミックスの局所溶融部を生成するその場溶岩生成手法の設計）では、400万粒子の大規模数値計算手法の開発、およびSPring８でのＸ線その場観察から、局所溶融と同時に、その周辺部から熱応力による破壊が発生することが明らかになった。
実施項目３（高出力レーザを用いた新セラミックス溶接の可能性探索）では、これまで得られた知見に基づき、SiO2のガラス特性を踏まえ、様々な検討を行った。
最終年度の研究成果は、マシナブルセラミックス（SiO2をAl2O3に混ぜたセラミックス）に高出力レーザを照射し、新セラミックス溶接法の更なる可能性を探索した。しかし、SiO2を利用しても局所溶融部周辺の熱応力による破壊を排除または緩和するのが難しいと判明した。そこで発想を転換し、この破壊に基づく脆弱性を、レーザ切断の新たな可能性に結び付けた。その結果、1m鉄筋コンクリート（コンクリートはセラミックスに含まれる）に対し、新たなレーザ切断法を示すことができた。本成果は世界初であり、Optics and Lasers in Engineering（IF:4.6＠2022）に2023年度に投稿し、2024年4月にアクセプトされた。

研究成果

• [雑誌論文] Ultra high power laser cutting of 1-m reinforced concrete with gravity (2024)
  • 著者名/発表者名: Yosuke Kawahito, Hitoshi Ozaki, Michiko Mori, Yuya Kino, Tsuyoshi Nakamura, Hiroyuki Yoshida, Hiroshi Kawakami, Muneo Hori
  • 雑誌名: Optics and Lasers in Engineering 巻: - ページ: -
  • 査読あり