2019 Fiscal Year Research-status Report
Multi-scale, high resolution operando analysis of material destruction processes using mechano-chemical interactive measurements
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18K18960
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
本間 敬之 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (80238823)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
柳沢 雅広 早稲田大学, ナノ・ライフ創新研究機構, その他(招聘研究員) (20421224)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2021-03-31
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| Keywords | 表面増強ラマン散乱光 / 材料破壊 / オペランド計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は材料の破壊過程についてナノメートルからミリメートルオーダーの広範な領域にわたり、歪みや応力等の機械的な特性変化のみならず、化学構造や局所温度の変化なども同時に高精度でオペランド(実動下)計測可能な解析手法の確立を目的としている。独自開発の耐摩耗プラズモンセンサを用いた表面増強顕微ラマン分光系を基に、破壊初期における機械的歪みの発生・伝搬から化学結合の歪み・切断・伝搬に至る過程をナノからマイクロまでマルチスケールで高空間分解能（面分解能100nm、深さ分解能0.1nm）で同時に動的観察・解析可能なシステムを開発し、これまで未知の部分が多かった材料破壊過程の機械的特性と化学構造の変化の相関を分子から複合構造体まで動的に解析することにより、そのトータルなメカニズムの解明に挑戦する。そのために多共焦点ラマン散乱分光装置と耐摩耗性プラズモンセンサを組み合わせて用い、超高感度・ナノスケール空間分解能でマルチスケールでの材料表面の化学構造を計測する。また試験方法には引張試験を適用し、引張中および破断時の応力や化学構造の同時観察を行うものである。本年度はまず導入した要素機構部品を組み立て、専用の引張試験機を開発した。本試験機にはプラズモンセンサを装着し、表面増強ラマンスペクトルによる表面層の計測を可能とした。さらに本引張試験機を用いてポリエチレンフィルムとゴム材を対象に試験計測を行った。その結果、ポリエチレンフィルムにおいて引張時のスペクトル変化から結晶化度が高まることが確認できた。また変化の程度の面内分布は大きく異なることが観察された。さらにゴム材については引張時のスペクトル変化が顕著に観察され、ゴム材料最表面のベース材料の分子構造や、カーボンやシリカなどの添加粒子の界面の変化の観察に成功した。加えてマルチビームによる面内分布の引張時の変化も同時に確認することができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
前年度開発した多共焦点ラマン散乱分光機に組み合わせた引張試験機を用いて、ポリエチレンフィルムとゴム材料を対象に、引張時の材料破壊過程をラマンスペクトル変化から観察した。同装置に耐摩耗性プラズモンセンサを装着し、表面増強ラマンスペクトルによる、引張時の試料最表面の解析を可能とした。同装置により繰り返し引張時の応力－ひずみ曲線のヒステリシスの観察とその時の時間分解スペクトル、さらにその面内プロファイル解析による分子構造変化を、リアルタイムでオペランド観察することに成功した。さらに同装置を用いてポリエチレンフィルムとゴム材料について計測を行った結果、ポリエチレンについてはC-C結合やCH2結合の振動ピークの波数シフトは明確には観察されなかったがピーク強度比は大きく変化した。例えば1415cm-1の結晶性CH2ベンディングモードと1437cm-1の非晶質CH2ベンディングモードのピーク強度比は、引張応力の増加により大きくなり、結晶性が進むことがわかった。この変化は弾性変形領域内であっても、応力緩和後も元には戻らず非可逆性であることを見出した。またゴム材料中のイソプレンのC=C結合ピークは引張時の初期に大きく増加する一方、その後の応力増加に伴い減少し応力を緩和しても元に戻らないことがわかった。またカーボン添加粒子は引張と緩和の間にわずかにヒステリシスを示すが大きな変化はなかった。これは引張に対し最表面は分子構造破壊が内部と比べて大きい一方、ゴム材と添加粒子の界面は応力の影響が少ないことを示している。上記の結果はバルクの試料とは異なり、最表面特有の挙動であるという新しい知見を得ることができた。これらの結果から、研究は順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、試作した引張試験機搭載の多共焦点ラマン散乱分光機を用いて、最強の物質といわれるグラフェン膜をはじめ、さまざまな薄膜材料の測定・解析を行うとともに、引張切断時または繰り返し引張における疲労現象との化学構造変化、および面内の破壊伝播の挙動を詳細に調べる予定である。またさまざまな分子構造を有するプラスチックフィルムの配向構造の変化を観察する。さらにSiやガラスなど脆性材料の破断までの結晶構造変化や欠陥の伝播プロセス等を、マルチスケールで観察し破壊と化学構造の関連を調べる。特に耐摩耗性プラズモンセンサを併用して表面増強ラマン散乱スペクトルを測定し、引張試験中における材料の最表面の化学構造の変化を超高感度マルチスケールで観察し、破壊のメカニズムを表面化学の観点から考察する。またタイヤ用ゴム材料やカーボン繊維やガラス繊維などの繊維強化プラスチックなどの複合材料に関して、ベース材料と添加材料の界面の分子構造の変化を観察し、破壊プロセスの解析を行う。最終的には以上の知見をまとめて高強度材料の設計指針の提言を行うことを念頭に研究を進める。
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