| 研究課題/領域番号 |
24360265
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
大谷 博司 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (70176923)
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| 研究分担者 |
徳永 辰也 鹿児島大学, 理工学研究科, 准教授 (40457453)
飯久保 智 九州工業大学, 生命体工学研究科(研究院), 准教授 (40414594)
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| 研究期間 (年度) |
2012-04-01 – 2016-03-31
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| キーワード | 金属物性 / 熱力学 / 格子欠陥 / 粒界構造 / アモルファス |
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| 研究概要 |
本研究では，ランダム粒界への元素の偏析を，粒界アモルファス構造の安定化という新たな視点でとらえなおし，これまで経験的取扱いしかなかった偏析現象の理論構築を試みることを目的としている．H25年度の課題は，第一原理分子動力学計算の実行を行い，液相やアモルファス相の自由エネルギーの精密な導出を行い，液体急冷法により作製した試料の示差走査熱量分析による実験結果と比較し，計算結果の確認を行うことである．そこでまず，液体金属の自由エネルギーを第一原理MD計算において液体論等に基づいて評価した．直接相関関数はOrnstein-Zernike方程式により全相関関数を用いて計算される．Ornstein-Zernike方程式のclosure 方程式にはPercus Yevick (PY) 近似、hyper netted chain（HNC）近似などがあるが，特にHNC近似では自由エネルギーが直接相関と相関関数によって表わされるというPY近似にはない特徴がある．また，相関関数のダイアグラム展開においてもPY近似より多くのダイアグラムを含んでいる点で，２元系などについては一般には精度を高めることが期待される．そこでOrnstein-Zernike方程式の波数空間上で得られる4元連立方程式を解き直接相関関数を求め，HNC近似を適用してFe，B，Fe0.52B0.48の自由エネルギーを評価した．また，液体急冷法によりFe-B２元系試料を作成し，100℃/min以上の急速加熱を行ってガラス転移温度の測定を行った．その結果，準安定のFe23B6構造の生成が確認された．この構造はアモルファス構造においてしばしば観察される構造である．
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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
H25年度には，第一原理分子動力学計算による液相やアモルファス相の自由エネルギーの導出と，液体急冷法により作製した試料の示差走査熱量分析による準安定構造の生成エネルギーの評価を目標とした．その結果，64原子程度の小規模な系ながら，Fe0.52B0.48の自由エネルギーが-49.5kJ/mol程度と評価された．これは状態図解析から得られる計算熱力学による計算値の-39kJ/molに比較的近い値であり，今まで実験によって評価する以外に評価手段がなかった液体の自由エネルギーを計算できる可能性を開くことができた．また実験面では，液体急冷法により作製した試料を高速で加熱することにより，Fe-B２元系において初めてガラス転移温度が現れること，またそこで結晶化する構造が準安定のFe23B6であることを明らかになるなどの新たな知見が得られた．これを安定相であるαFeとFe2Bの生成エネルギーと比較することにより，準安定であるためにこれまで実験的に測定することができなかった準安定のFe23B6の生成エネルギーが評価できる方法が確立できたことがその理由である．
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| 今後の研究の推進方策 |
第一原理分子動力学計算による液相やアモルファス相の自由エネルギーの評価を行う．この研究に関して，当初計画では研究代表者の研究室で運営している並列計算機を用いて行う予定であったが，第一原理分子動力学では原子数が増えると指数関数的に計算時間とメモリー容量が増加することから，数十原子程度の小規模な系での計算しか行えなかった．そこで東北大学金属材料研究所のスーパーコンピュータを利用すべく課題申請を行い，H26年度の共同利用が認められたので，今後はこれを用いて，数百原子を超える，より大規模な系で計算精度を高めていく．さらに得られた液体の原子構造を解析して短範囲に生成すると予想される多面体構造を明らかにし，粒界構造との類似性について議論を行っていく予定である．また，液体急冷により得られた熱分析曲線から準安定構造の生成エネルギーを評価し，これらの計算結果との比較検討をおこなう．
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| 次年度の研究費の使用計画 |
H25年度に研究代表者が九州工業大学から東北大学へ異動になったことから，当初消耗品類の購入を予定していたが，既存の物品を代用することで購入の必要性がなくなったものが多かったことがその理由である．
引き続き新しい研究室で本研究課題をすいこうするために必要な消耗品類の整備に使用していく予定である．
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