Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

多孔体 / 破壊 / 焼結 / シミュレーション / 固体酸化物形燃料電池 / FIB-SEM / プロセスシミュレーション / 機械材料・材料力学 / 燃料電池 / 微細構造 / 多孔質 / ペリダイナミクス

2020年度に引き続き，多孔体の破壊プロセスの予測モデルの構築に取り組んだ．2020年度基礎開発した破壊解析シミュレーターを用いて，多孔体の損傷評価と破壊シミュレーションを実施した．まず，キネティックモンテカルロ法による焼結解析コードを用いて，異なる製造条件の多孔体構造を多数生成し，シミュレーターで得られた多孔体構造に対して破壊シミュレーションを行い，多孔体製造条件と破壊特性との関係を明らかにした．また、破壊応力の空隙率依存性を求めた。
並行して，解析の妥当性検証と多孔体の破壊メカニズムの解明を目的とした基礎実験を行った．対象は，高い電子導電性とイオン導電率を併せ持つものの、熱膨張係数が大きく破壊が生じやすい空気極材料LSC（ランタンストロンチウムコバルタイト）とした。実験的に空隙率が異なる多孔質LSC材料を作製後，超微小硬度計の押し込み試験を実施し，弾性率や破壊靱性値の空隙率依存性を求めた．弾性率は空隙率が増加するにつれて減少し，空気極が使用される空隙率35％程度では，緻密時の弾性率はおよそ25%程度になることがわかった．また，破壊靭性値も，空隙率が大きいほど破壊靭性値が小さくなり，空隙率35%近くでは緻密時の35％程度となり、本傾向は解析と一致することを明らかにした．
続いて、LSC空気極とGDC電解質で構成される積層体の破壊メカニズムを明らかにするため、GDC上にLSC膜を拘束焼結した時の微細構造変化をFE-SEMで詳細に観察した．観察の結果、多孔質空気極側において、熱膨張係数差を起因として、粒界に沿った微小クラックの発生が観察された。本観察結果が、粒界において破壊が発生する解析と一致することを確認した．

構造・材料 / 複合材料 / 雷撃 / 導電性高分子 / ポリアニリン / カーボンナノチューブ / シミュレーション / 航空宇宙工学 / 数値シミュレーション / 航空機 / 損傷 / 電気伝導度 / 損傷解析 / 機械材料・材料力学 / 高分子

航空機の複合材構造において、雷撃時の構造安全性を担保することは必須である。そこで本研究では、力学特性、耐熱性、成形性等を維持しつつ、導電性を制御可能な航空機構造用CFRPの創出と雷撃損傷挙動の解明を目的とした。その結果、ポリアニリン（PANI）系導電性樹脂および配向カーボンナノチューブ（CNT）を適用することでCFRPの導電性制御を実現できることを実証した。また、導電性を制御したCFRPに対して模擬雷撃試験による電撃損傷挙動の実験的評価を行うとともに、電気伝導・熱伝導・力学挙動を連成した数値解析を実施することによって、CFRPの導電性と電撃損傷との関係を実験的・解析的に解明した。

近年、CFRPは比強度・比剛性に優れた構造材料として航空宇宙分野、輸送機器、一般産業分野への適用が拡大している。本研究では、ポリアニリン系導電性樹脂や配向カーボンナノチューブの適用という新しい観点からの技術によりCFRPに対して「導電性制御」という機能の付与を実現したもので学術的な意義は高い。また、耐雷性向上や電磁シールド性・損傷センシング機能の付与など、CFRPの多機能化への応用が可能となったことから社会的な意義も大きい。

機械材料・材料力学 / 分子動力学 / ポテンシャル / シミュレーション / 遺伝的アルゴリズム / 規格 / マルチスケールシミュレーション / 金属ガラス / 分子動力学ポテンシャル / データベース / 密度汎関数法 / 標準化 / レナードジョーンズポテンシャル

本研究は、アモルファス金属や化合物半導体等の高度な分子動力学計算に不可欠な高精度な経験的分子動力学ポテンシャルの標準規格の構築を行った後、ポテンシャル開発ソフトをインターネットのWebを通じて公開し、利用ユーザの結果をデータベースとして蓄積して共有することにより、世界標準のデータベースを作成することを目的とする。
平成19年度は開発プログラムの発表と情報収集、及び戦略的委員会の組織立ち上げのための準備を行った。
具体的には、国際会議MRS spring meeting 2008及び、Material Transactionでの論文投稿を行い世界に向けて発表を行った。また、米国Massachusetts Institute of Technology, Department of nuclear science and engineering、Prof.Yip研究室との議論を行った。
作成したポテンシャル開発ソフトは完成の域に達しており、金属ガラス(Zr-Nu系)、電子デバイスの界面(Cu-Ru系)、ダイヤモンドライクカーボン、化合物半導体(AlGaN)へと適用され、その有効性を十分に検証することが出来た。
今後は、これを日本材料学会分子動力学部門委員会の活動を通じて、産業界に頒布し、活用範囲を広げたいと考えている。また、HPからの無償公開によって、米国MITなど海外の大学との連携をさらに進めたい。

【研究分担者】
鹿園直毅	東京大学	生産技術研究所	教授	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
後藤晃哉	山形大学	有機材料システム研究推進本部	研究員	(Kakenデータベース)
石田雄一	国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構	航空技術部門	主任研究開発員	(Kakenデータベース)
横関智弘	東京大学	大学院工学系研究科(工学部)	准教授	(Kakenデータベース)
高橋辰宏	山形大学	大学院有機材料システム研究科	教授	(Kakenデータベース)
平野義鎭	国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構	航空技術部門	主任研究開発員	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
原祥太郎	東京大学	大学院・工学系研究科	助教	(Kakenデータベース)
酒井信介	東京大学	大学院工学系研究科	教授	(Kakenデータベース)