【研究分野】機械材料・材料力学

【研究領域課題番号】16106002 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

破壊 / 界面 / 低次元構造体 / ナノスケール / 連続系 / 離散系 / き裂 / 微小構造体 / 界面強度 / 破壊力学 / 応力拡大 / 特異応力場 / ナノ要素膜 / その場観察

【研究成果の概要】

ナノスケールの低次元構造体の最弱部である界面の強度評価実験方法を開発し、その場観察とマルチスケールの力学評価を行った。また、原子レベルの構造不安定性解析を行った。その結果、従来の破壊力学(連続系)概念の適用下限は数nm 程度であることを明らかにするとともに、それ以下の離散系支配領域での破壊基準を検討した。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2004 - 2008

【配分額】109,850千円 (直接経費: 84,500千円、間接経費: 25,350千円)

【研究分野】複合材料・物性

【研究領域課題番号】09650749 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

金属基複合材料 / 透過電子顕微鏡 / 走査型電子顕微鏡 / 破壊 / 変形 / 界面 / 機械的性質 / 構造材料 / マグネシウム合金 / コンポキャスト法 / 金属複合材料 / アルミニウム合金 / セラミックス / 複合材料

【研究成果の概要】

本研究では、スクイズキャスト法、半溶融および溶融攪拌法、ホットプレス法を用いて複合材料を作製した。強化材料として主に、SiC,Al_<18>B_4O_<33>,TiO_2の粒子、ウイスカ、繊維を用い、マトリックスとしてアルミニウム合金、マグネシウム合金およびチタン合金を用いた。これらの複合材料の機械的性質を明らかにし、その発現原因と走査型電子顕微鏡および透過電子顕微鏡による微細組織、変形・破壊組織の観察により明らかにした。また、ホットプレスで作製したニオブとMoSi_2の積層複合材料についても検討を行った。複合材料の機械的性質を決定する要因は、強化材の劣化、セラミックス/マトリックス界面の構造変化、マトリックスの組織の変化に依存する。特に、本研究では、界面に注目し、界面構造および変形、破壊組織を原子的レベルまで分析し、その界面反応が変形、破壊に与える影響を明らかにした。また、界面制御手法を考案することにより、機械的性質の優れた複合材料の設計指針を示した。更に、繊維系複合材料ではクリープ破断寿命を、繊維の耐荷能の時間変化を考慮した確率モデルにより、破断寿命を予測した。
具体的成果として、TiO_2表面への熱化学的ドーピングによる複合材料の強化熱処理温度の低下、Al_<18>B_4O_<33>ウイスカ表面への均一なスピネル層の形成によるマトリックス合金との直接反応の阻止による高温安定性の向上を図ることができた。また、MoSi_2中に添加物を入れることによりNbとMoSi_2の界面反応を制御し、破壊靭性の優れた積層複合材料を製造することができた。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】1997 - 1999

【配分額】3,600千円 (直接経費: 3,600千円)

【研究分野】機械材料・材料力学

【研究領域課題番号】09650088 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

界面 / 水素拡散 / 破壊 / 変形 / 分子動力学 / Fe-H ポテンシャル / Fe-Hポテンシャル / α鉄 / 水素侵入 / ひずみ / 強度

【研究成果の概要】

アモルファスシリコン(α-Si)太陽電池のフレキシブルモジュールなど数10nm〜数100nmの多層薄膜電極の界面は,高温・高湿状態で界面剥離を生じる可能性があり,薄膜電極の剥離・断線による電気的特性劣化が懸念されるので,耐環境性や強度特性試験が実施されている.界面剥離を生じる力学的環境としては,製膜時の残留応力,環境温度変化に伴う熱応力,応力集中が挙げられる.加えて,屋外環境で使用されるモジュールの場合には,防湿被膜表面から侵入する水素原子の金属界面強度に及ぼす影響が注目されている.そこで本研究では,結晶界面を有するα鉄の自由表面からの水素の侵入を2種類のFe-Hポテンシャル(Markworth型,Olander型)を用いて分子動力学(MD)解析し,負荷に伴う界面の変形・破壊特性に及ぼす水素の影響を検討するとともに,その結果を実際の水素侵入メカニズムと比較・検討し,より現実的なモデルを提案し,その有効性を示した.得られた結果をまとめれば以下の通りである.
(1)仮定するFe-Hポテンシャルによりα鉄の自由表面からの水素の侵入挙動や界面の変形・破壊挙動は異なる.(2)水素は界面破壊・はく離を助長するが,その主因子は,負荷ひずみと水素濃度である.(3)実際の水素侵入のメカニズムに立脚し,仮定するポテンシャルと実際の水素の挙動との対応を明らかにした.(4)水素化物の挙動にはMarkworthポテンシャルが対応し,これは界面の脆性的な破壊を助長する.一方,水素イオンの挙動にはOlanderポテンシャルが対応し,これは界面の延性的な破壊を助長する.(5)両ポテンシャルの水素が混在した現実的なモデルを考案し,このモデルでは水素の侵入がより助長され,界面破壊がより内部でも生じることを明らかにした.
以上から,界面はく離強度向上には,製膜時の残留応力緩和と防湿皮膜を通して侵入する水蒸気の阻止が重要と考えられる.

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】1997 - 1998

【配分額】3,400千円 (直接経費: 3,400千円)

【研究分野】材料力学

【研究領域課題番号】61460087 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

接着 / 接合 / 界面 / 機能性 / 変形 / 強度 / 静特性 / 動特性 / クラック / 応力 / 重合 / 積層 / 降伏 / 破壊 / 収縮 / 金属 / ポリマー / セラミック / 接着接合 / 応力解析 / 破壊靭性 / 界面特性 / 積層材料 / 振動減衰

【研究成果の概要】

接着接合は, 構造軽量化, 高減衰特性など, 機械的接合法にくらべて, すぐれた機能性を持っている. しかし, 接着接合とその機能性の基本的な関係が明らかにされていないため, 接着技術の構造接合法としての信頼性はあまりたかくない. 接着接合部の機能性は, 接合部の構成材料の力学的性質や, 接合部の幾何学的形状だけでなく, 接合界面の物理化学的性質, さらに接着剤の硬化過程など, ひろい範囲の因子の影響を受けている. したがって, 接着接合部の機能性の十分な把握には, これらのおおくの因子を考慮した総合的な検討が必要である. 本研究では, 接着接合部の機能性を, 接合材料の物性値だけでなく, 接合界面の力学的性質と物理化学的性質をも考慮して, 総合的に解明することを試みた.
1.接着接合部の変形と強度を系統的に解析する方法を確立し, 実験との比較によりその妥当性を確かめた.
2.接着接合部の静剛性と動剛性に及ぼす接着条件の影響を, 実験的に調べ接着状態を認識する方法を確立した.
3.接着界面のクラック先端とその近傍の応力分布を弾塑性解析し, その分布状態を明らかにした.
4.ポリマーの接着性を, 樹脂の重合過程, 内部構造と関連ずけて明らかにした.
5.フィルム積層材料の降伏と破壊のメカニズムと積層条件の関係を明らかにした.
6.セラミックの結合過程の収縮量を焼成条件に関連ずけて明らかにした.

【研究種目】一般研究(B)

【研究期間】1986 - 1987

【配分額】6,000千円 (直接経費: 6,000千円)