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1 材料物理科学専攻若井史博 1. 今年度の主な成果概要我々は ナノ結晶セラミックスが高温で巨大な伸びを示す超塑性現象を利用して セラミックス産業における新しい成型加工プロセスの可能性を探求するとともに 高温での粒界ネットワーク構造のダイナミクスに関する新しい概念や基本原理を提唱することを目指している 今年度は (1) 粒界ネットワークダイナミクス (2) ナノ結晶セラミックスの超塑性の分野で以下の成果を挙げた (1) 粒界ネットワークダイナミクス (1-1) 粒子再配列に誘起された焼結における異方的収縮焼結とは ナノ粒子をバルクなセラミックスに変換する熱プロセスである 部材の寸法精度を保障するには 収縮挙動を予測する必要がある 焼結は巨視的には緻密化として表現されるが 微視的には粒子間に作用する力に駆動された粒子間距離の収縮と見ることができる 我々は 焼結における多粒子間相互作用 具体的に 局所的な粒子配置がいかに異方的収縮に影響するかを微視的なシミュレーションで調べ 粒子再配列による焼結力の変化が異方的収縮の原因となることを明らかにした ( 論文 1) (1-2) 気孔チャネルの閉鎖における表面特異点形成による収縮の加速ナノ粒子集合体のあいだの隙間 ( 気孔 ) は互いに連結しているが 緻密なバルク体に変換する過程で気孔チャネルは閉鎖し 外部表面から隔離された閉気孔に分断される 気孔チャネルが閉鎖するとき 表面曲率が無限大に発散する特異点が形成され 近傍の原子拡散の促進によって収縮が加速されることを示した 気孔チャネルの閉鎖は 粒界の交差による3 重線の形成をともない 3 重線に沿った粒界張力が収縮に及ぼす効果を明らかにした ( 論文 2) (2) ナノ結晶セラミックスの高温変形と超塑性 (2-1)α-SiAlON ナノセラミックスの高温変形サイアロン (SiAlON) は窒化ケイ素 (Si 3 N 4 ) に Al とO 原子が固溶した結晶構造をとり 耐酸化性に優れた高温材料である 製造時に一時的に形成される酸化物系の液相成分が結晶中に取り込まれるため 粒界にガラス相がほとんど残留しない緻密なナノサイアロンが製造できた 粒界ガラス相をもつ窒化ケイ素に比べて このナノサイアロンがはるかに優れた耐クリープ性を示すことを見出すとともに 変形機構の違いが粒界構造の差異によるものであることを明らかにした ( 論文 3, 9) (2-2)Al ドーピングによる微細粒炭化ケイ素の高温変形の促進 1/5

2 炭化ケイ素 (SiC) はダイヤモンドと似た結晶構造をもち 強固な共有結合のため 硬く 室温ではほとんど変形しない物質である 我々はボロン B と炭素 Cを微量添加して製造した微細粒炭化ケイ素が高温で巨大な伸びを示す超塑性現象を世界で最初に発見している (J. Am. Ceram. Soc. 1999) 今回 B, C に加えて微量のアルミニウム Al を添加することによって 高温変形が著しく促進できることを見出した さらに 低応力域と高応力域とで応力指数が異なり 変形機構が変化することを明らかにした このような変形機構の変化は金属系材料や酸化物系のジルコニアでも見出されている 共有結合性の非酸化物である SiC で同様な挙動が見つかったことは ナノ材料の超塑性現象を統一的な視点から理解するためのモデルを構築する上で 重要なてがかりになると考えられる 2. 論文リスト < 論文 > 1. Anisotropic shrinkage induced by particle rearrangement in sintering Fumihiro WAKAI, Kentarou CHIHARA and Michiyuki YOSHIDA Acta Materialia, 55, (2007). 2. Pore channel closure in sintering of a ring of three spheres Fumihiro WAKAI, Diego GOMEZ-GARCIA, and Arturo DOMÍNGUEZ-RODRÍGUEZ J. Euro. Ceram. Soc., 27, (2007). 3. High temperature deformation of α-sialon nanoceramics without additives Kentarou CHIHARA, Daisuke HIRATSUKA, Junichi TATAMI, Fumihiro WAKAI and Katsutoshi KOMEYA Scripta Materialia, 56, (2007). 4. Three-dimensional simulation of coarsening and grain growth in sintering Fumihiro WAKAI Mater. Sci. Forum, , (2007). 5. Superplastic flow of silicon nitride-based nanocomposite at high strain rates Kentarou CHIHARA, Yutaka SHINODA, Takashi AKATSU and Fumihiro WAKAI Mater. Sci. Forum, , (2007) 2/5

3 6. Interplay between Surface and Grain Boundary in Sintering Fumihiro WAKAI Mater. Sci. Forum, , (2007). 7. Fabrication of Ni 52.5 Nb 10 Zr 15 Ti 15 Pt 7.5 bulk metallic glassy matrix composite containing dispersed ZrO 2 particulates by spark plasma sintering Guoqiang Xie, Dmitri V. Louzguine-Luzgin, Hisamichi Kimura, Fumihiro Wakai and Akihisa Inoue Mater. Sci. Forum, , (2007). 8. 帯状ネットワークを有する Si 3 N 4 /Si 3 N 4 -SiC 複合体の高温変形特性 山田勝則 神谷信雄 近藤直樹 若井史博 材料 56, (2007). 9. High-temperature compressive deformation of β-sialon polycrystals containing minimum amount of intergranular glass phase Kentarou Chihara, Daisuke Hiratsuka, Yutaka Shinoda, Takashi Akatsu, Fumihiro Wakai, Junichi Tatami, Katsutoshi Komeya Mater. Sci Engn. B, 148, (2008). 10. Enhancement of high-temperature deformation in fine-grained silicon carbide with Al doping Takuya Tokiyama, Yutaka Shinoda, Takashi Akatsu and Fumihiro Wakai Mater. Sci Engn. B, 148, (2008). 11. Integrated molding of nanocrystalline tungsten carbide powder with stainless steel Yutaka Shinoda, Takashi Akatsu and Fumihiro Wakai Mater. Sci Engn. B, 148, (2008). 12. Microstructure and properties of ceramic particulate reinforced metallic glassy matrix composites fabricated by spark plasma sintering Guoqiang Xie, Dmitri V. Louzguine-Luzgin, Fumihiro Wakai, Hisamichi Kimura and Akihisa Inoue Mater. Sci Engn. B, 148, (2008). 3/5

4 13. Large-size ultrahigh strength Ni-based bulk metallic glassy matrix composites with enhanced ductility fabricated by spark plasma sintering Guoqiang Xie, Dmitri V. Louzguine-Luzgin, Hisamichi Kimura, Akihisa Inoue and Fumihiro Wakai Applied Physics Letters., 92, (2008). < 著書 > 1. Development of Nanoceramics; Application to Diffusion Bonding M. Yoshida, Y. Shinoda, T. Akatsu and F. Wakai pp , in Ceramic Transactions, vol. 198, Characterization and Control of Interfaces for High Quality Advanced Materials II, (2007). 2. ナノ / ナノ複合化による新機能 若井史博 pp , ナノマテリアルの技術 小泉光恵 目義雄 中條澄 新原皓一 編集 シーエムシー出版 (2007) Creep/Superplasticity Fumihiro WAKAI,, pp , in Nanoparticle Technology Handbook, Edited by M. Hosokawa, K. Nogi, M. Naito and T. Yokoyama, Elsevier (2007). 3. 国際 国内会議招待講演リスト 1. Interplay between surface and grain boundary in sintering, The 3 rd International Conference on Recrystallization and Grain Growth F. Wakai, Jeju island, Korea, June 10 15, 招待講演 2. A micromechanical principle of sintering in particle-scale length F. Wakai, 10 th International Conference of the European Ceramic Society, Berlin, Germany, June 17 21, 招待講演 3. Dynamics of grain boundary networks in superplasticity, grain growth and sintering F. Wakai, JSPS-KOSEFAsian Core Program The Third Japan-Korea Workshop on Metallic 4/5

5 Glasses, Miyagi Zao Royal Hotel, Miyagi, Japan, September 27-28, 招待講演 4. Thermodynamic driving forces in quasi-equilibrium and non-equilibrium processes of sintering F. Wakai, Focused Workshop on Contemporary Topics in Sintering, Orange County Resort, Coorg District, India, December 2-6, 招待講演 5. 粒子スケールの焼結における組織形成のミクロ力学原理 若井史博 京都府地域結集型共同研究事業ワークショップ 同志社大学 2007 年 9 月 20 日依 頼講演 4. 特許出願 ライセンス 実施 1. 金属材料に超硬合金を一体成形する方法及びその一体成形部材 篠田豊 赤津隆 若井史博 特願 銅を結合材とする高強度タングステンカーバイド超硬合金 篠田豊 赤津隆 若井史博 特願 受賞 ( 学生 PD など研究グループを網羅 ) なし 6. 国際的共同研究 ( 相手先 テーマ ) なし 7. その他特記事項 1. J. Am Ceram Soc. Associate Editor 2. Science of Sintering, Associate Editor 3. J. Ceram. Soc. Japan, Editor member 5/5

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