研究内容

   皆さんの周りに身近に用いられる構造材料は主に力学機能が要求され，様々な製造プロセス（鋳造・鍛造，溶融めっき，焼結，熱処理，3Dプリンタなど）で生産されており，安全かつ持続的な社会の発展に必要不可欠なものです．
私たちの研究室は，構造用金属材料を主な対象とし，材料製造プロセスが生み出すミクロ・ナノ組織の制御原理を探索します．その原理に基づき、革新的な高機能・多機能を有する新たな構造材料創製に向けた成分・プロセスを設計します．またマイクロ機械試験やその場観察を用いて金属結晶の塑性変形の本質に迫り，更なる力学機能を追求します．
学生の皆さんや若い研究者が先端的な研究を通じて自分たちの能力を磨き，自立的に発展させることのできる環境づくりを心がけています．外国人留学生・研究者を含めた国際的なメンバー構成の下，他大学・研究所や産業界との連携も積極的に行い、各自の自主性を重視した活発な研究を行ないます．

 

金属3Dプリンタが生み出す非平衡状態を活かす

金属3Dプリンタは「かたち」を造るだけでなく，「機能」も造ることができます．
3Dプリンタと呼ばれるAdditive Manufacturing （積層造形，付加製造）のひとつである金属粉末を用いたレーザ粉末床溶融結合（Laser Powder Bed Fusion: L-PBF）法は，従来製造法で不可能な三次元複雑形状の部材を製造できます．その3Dプリンタで製造された金属造形体は，レーザ照による超急冷凝固（1秒間に100万度以上の速さで液体金属が固体になる現象）を通じて造られます．

私たちの研究室では，金属造形体のミクロ・ナノ組織が非常に微細な構造を持つだけでなく，これまでにない非平衡状態であることに着目します．この金属3Dプリンタによる非平衡状態の創出は，軽量金属材料の代表であるアルミニウム（Al）の性能を飛躍的に向上させるだけでなく，従来の常識とは異なる物性を創出します．金属3Dプリンタ技術が生み出す非平衡状態を利用した材料設計は，Al合金だけでなく，種々の金属に応用可能であり，銅合金や鉄鋼材料，複合材料などの開発も進めています．これらの理解に基づき，理論計算を利用して，種々の元素との組み合わせを考案し，革新的な高機能・多機能性を持つ材料の金属3Dプリンタによる製造を目指します．

この研究は，下記のプロジェクトにて精力的に推進していきます．

• 科学研究費助成事業　基盤研究（A）「金属3Dプリンタ技術が生み出す革新的耐熱アルミニウム合金の強化原理」
• 科学技術振興機構（JST） 戦略的創造研究推進事業 さきがけ [未来材料] 物質探索空間の拡大による未来材料の創製「金属3Dプリンタを用いた非平衡組織・準安定相の創出」

   
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名古屋大学学術研究・産学官連携推進本部 note    

有害と信じられている不純物元素を活かす

アルミニウム（Al）は，“ボーキサイト”と呼ばれる原料から電解精錬法により生産され，国内の電解精錬法に使う電気量の観点から，新たなAl地金はすべて海外からの輸入品に頼っています．一方，リサイクルされたAlの利用は，新地金を使用するよりも製造時のCO₂排出量を97%削減できるため，循環型経済推進への取り組みがカーボンニュートラルの観点から急務となります．身の回りにありふれたAl合金のスクラップが大量に発生し，その中にはケイ素(Si)や鉄(Fe)などの不純物が多く含まれています．これらの元素はAlと金属間化合物を生成し，素材を脆くさせ，劣化させるため，一般に除去されます．

私たちの研究室では，Al合金の製造プロセスである鋳造や熱処理を利用して，有害と信じられてる不純物元素（Fe, Si, Mnなど）を有効利用し，Al合金に新たな力学機能を付与することを目指します．Al合金のユーザーである自動車等の産業界と密接に連携し，理論計算と電子顕微鏡の解析技術を利用して，不純物元素を利用したミクロ・ナノ組織の制御原理を構築し，アップグレードリサイクルを実現するAl合金の成分利用とプロセス設計を行います．

この研究は，トヨタ自動車(株)を始めとした様々な企業と連携して推進します．
   

鉄鋼材料の表面処理技術を理解する

亜鉛（Zn）めっき表面処理（コーティング）技術は，高校化学の教科書にも紹介されているように，鉄鋼材料に重要な耐環境性である耐腐食性の機能（犠牲防食作用）を付与します．溶融Znめっきプロセスは種々の構造用材料に適用され，日本の鉄鋼産業の主力製品のひとつです．そのため，溶融めっきプロセス技術（高機能表面処理鋼の開発技術）は鉄鋼業界の企業利益に直結し，企業内の研究成果はノウハウの蓄積となり，そのほとんどが非公開で共有できる基礎的知見が極めて限られています．

私たちの研究室では，大学という中立の立場を活かし，耐環境性に留まらない高機能・多機能を有する溶融めっき皮膜の開発を見据えた基礎研究を先導し，溶融亜鉛めっき技術の革新をもたらす学術基盤を構築します．理論計算に基づき，溶融めっき表面処理プロセスにおける固体と液体の反応過程を通じたミクロ・ナノ組織の生成メカニズムを理解するだけでなく，加工性等の力学機能に資する因子を電子顕微鏡技術と組み合わせた実験的手法で解明します．

この研究は，日本製鉄(株)，JFEスチール(株)，(株)神戸製鋼所，(株)中山製鋼所といった溶融亜鉛めっき製造技術を有する企業だけでなく，ユーザー企業である本田技術研究所などとも連携して推進します．
   

 

ミクロ・ナノ結晶の変形を理解する

マイクロピラー圧縮試験は，収束イオンビーム（Foucs Ion Beam: FIB）加工により観察試料の特定箇所から大きさ数µmの試験片（マイクロピラー）を作製し，ナノインデンターを用いた圧縮試験により力学特性を調べる手法です．この手法は比較的簡便に単結晶の圧縮試験が可能であるため，結晶性材料の強度及び変形の基礎研究に用いられます．

私たちの研究室では，電子顕微鏡観察試料において微細かつ特定の領域から作製した試験片の力学特性を実験的に測定可能である特徴を活かし，金属材料だけでなく複合／複相材料内部の構成相自体の力学特性を結晶塑性の観点から調べます．また，限られた体積で試験が可能であるため，国内外の大学・研究所で開発された表面のコーティング材料や粉末粒子材料の強度・塑性変形の実験的測定を行います．マイクロピラー圧縮試験は，生まれたての未知の材料の変形メカニズムに迫ることができます．

この測定技術を求めて世界各国から研究者（米国，スウェーデン，フィンランド，インド，中国など）が研究室を訪問・滞在するため，海外の大学・研究所と連携して研究を進めていきます．