【研究分野】複合材料・表界面工学

【研究領域課題番号】26249099 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

異種金属 / 接合 / 固相接合 / 界面 / 界面強度 / 分子動力学 / 異種金属接合 / 活性界面接合 / 熱活性化過程

【研究成果の概要】

本研究は、構造体のマルチマテリアル化を可能にするために、異種金属の比較的低温での接合強度の発現機構を解明し、新たな異種金属接合の指針を導出することを目的としている。鋼と鋼、鋼とニッケルの中温での圧接、その後の等温保持の実験から、接合界面強度の発現は二段階であり、第一段階では圧接の接触面積はそのままで接合強度が増し、第二段階では接触面積が増すことによって接合強度が増すことがわかった。界面のひずみの解析、分子動力学を用いた接合のシミュレーションから、第一段階では界面近傍の原子の再配列、ひずみの低減により界面強度の上昇が起こることが示唆され、圧接後の等温保持の重要性が示された。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2014-04-01 - 2017-03-31

【配分額】40,040千円 (直接経費: 30,800千円、間接経費: 9,240千円)

【研究分野】機械材料・材料力学

【研究領域課題番号】08044131 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

破壊 / 損傷 / メゾスコピック / 計算機シミュレーション / 不均質材料 / 界面強度 / 分子動力学 / 衝撃破壊

【研究成果の概要】

本研究は,日米中仏の4ヶ国の研究者の共同研究により実施するのもので,材料の破壊プロセスにおける微視的な内部構造変化について総合的に検討するとともに,それらを踏まえたメゾスコピック材料モデルを構築することを目的とする.すなわち,本研究では,原子レベルならびにナノレベルにおける微視的アプローチ,不均質材料,材料界面,高分子材料,複合材料の損傷・破壊モデルの検討,および,衝撃荷重や環境など外因の影響を踏まえた材料モデルの考察など,種々の立場から,材料モデルの構築を進めるとともに,相互に協力,啓発を行い,それらを統合化した材料の寸法尺度,時間尺度に対する階層構造を的確に捉えたメゾスコピック材料モデルの構築を目指している.
本研究において設定した調査テーマは下記の通りである.
(1)分子動力学法を基礎とする材料モデルの構築,(2)材料の損傷・破壊現象のミクロとマクロメカニクス,(3)界面強度特性とミクロ・マクロ材料モデル,(4)不均質材料の特性発現機構と損傷機構のミクロ・マクロモデル,(5)複合材料の損傷過程とミクロ・マクロモデル,(6)ミクロ構造を考慮した高分子材料モデルの形成とマクロ特性,(7)破壊のプロセスゾーンの損傷モデル,(8)衝撃荷重下における材料の破壊モデル,(9)材料の環境強度に及ぼす電気化学因子のモデル化
また,東京工業大学,カルフォルニア工科大学,エコールポリテクニークにおいて共同研究を実施するとともに,中国,カナダ,アイルランド,ポルトガルにおいて調査研究を実施した.それらの結果,材料の内部微細構造の変化のダイナミクスを多面的に捉えるための分子動力学法,境界要素法,有限要素法などの種々の方法に基づくモデリング手法についての知見が得られた.

【研究種目】国際学術研究

【研究期間】1996 - 1998

【配分額】13,100千円 (直接経費: 13,100千円)

【研究分野】材料力学

【研究領域課題番号】03452108 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

分子動力学 / 微視的破壊力学 / 材料強度 / 界面強度 / Si結晶 / エンジニアリニグ・ワークステーション / スーパーコンピューティング / エンジニアリング・ワークステーション / エンジニアリング・ワ-クステ-ション / ス-パ-コンピュ-ティング

【研究成果の概要】

(1)接合材界面き裂の挙動をシミュレーションするに際し、マクロな材料物性(ヤング率およびポアソン比)を再現する原子間ポテンシャルを2次元3角形格子状の原子配置のもとで作成した。また、境界条件として線形弾性論によって得られる特異解を用い、凖静的な荷重負荷状態における原子配置を計算するための分子動力学解析プログラムを開発した。金属(Cu)-セラミックス(Si3N4)接合材を想定し、開口モード、界面強度が界面き裂の進展に及ぼす影響をパラメトリックに調査した。(2)電子デバイスの主な構成材料であるSiの力学的な信頼性評価を目的として、上記のプログラムを改良することにより、Si単結晶における転位すべり運動の解析プログラムを作成した。原子間力の計算にはTersoff型ポテンシャルを用いた。臨界せん断応力およびパイエルス力の計算において文献値と近い値が得られた。半導体素子の製造プロセスや原子レベルの超精密加工技術への応用を考えるにあたっては、結晶の表面を取り扱う必要のあることから、Si(111)面の(7X7)構造をDASモデルに基づいて安定に再現できることを確認した。さらに、adatomの圧入・除去操作をシミュレーションし、原子操作に必要なエネルギの比較を行った。(3)連続体力学とのインターフェイスをモデル化することにより、有限要素法などの連続体力学に基づく解析手法の中に微視的な観点から得られた情報を取り込む手法を開発した。分子動力学法によりマイクロクラックのシミュレーションを行い、その結果から、マクロな量である弾性定数の変化を導出することにより損傷の効果を材料強度評価に取り込む手法を構築した。損傷評価にはBudiansky and O'Connellの理論を用いた。

【研究種目】一般研究(B)

【研究期間】1991 - 1993

【配分額】6,700千円 (直接経費: 6,700千円)