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複合・焼結設計


・賢材
 導電性を付与した長繊維強化複合材料における電気物性応答をもとに作用した歪・応力を診断する材料開発を行っています。社会基盤構造物などへの適用により、構造体を補強する構成部材自らが健全性を診断する自己診断機能を実現することができます。NEDO「基盤技術研究促進事業」からの受託研究として推進しております。

・計算材料設計
 計算材料科学を用い、より高機能な材料を開発するために必要とされる設計指針構築を目指しています。ナノからマクロスケール、或いは原子・電子レベルまで立ち返って材料の本質を捉え、それらを系統化した情報を設計指針として活用することが、材料開発の新たなブレークスルーを導くものと期待しています

・ナノコーティング
 NEDO「ナノコーティング技術プロジェクト」の一環として、金属材料等の基材に新機能を付加するセラミックス等のコーティングにおけるナノ構造制御の基盤技術を構築することを目的とした研究開発を進めています。JFCCでは、強力(150kW)電子銃を備えた物理蒸着(EB-PVD)装置を駆使して、ナノレベルにおける材料構造を制御したジルコニア等の酸化物セラミックス膜を金属基板上に蒸着し、熱遮蔽性、耐熱性、界面特性等に優れたコーティング材料を開発します。
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自己診断スマート機能
イメージ 長繊維強化複合材料を基本構造として導電性の繊維導入や粒子分散技術を駆使し、変形に伴う電気抵抗変化などの電気物性応答を示す材料開発を推進しています。構造体の補強効果や高感度での歪計測だけでなく、この複合材料に作用する歪の最大値や累積数などを記憶させる損傷履歴メモリ機能というスマート機能の実現を図ります
研究成果
自己診断材料を用いたヘルスモニタリング技術の開発
導電性スマート材料の自己診断機能
分布定数型センサ材料
イメージ 電気物性応答を示す複合材料に電気的時間領域反射法(ETDR:Electrical Time Domain Reflectometry)を応用し、歪の空間分布などを診断する技術開発を推進しています。自己診断スマート機能との組合せによる高機能化を図ります
研究成果
導電性FRPの時間領域反射法(ETDR)による損傷位置診断機能

社会基盤構造物への応用展開
イメージ 自己診断材料を建築土木分野の構造体へ応用する適用化研究を推進しています。これまでに、コンクリート杭やトンネル構造体に適用したデモンストレーション試験などを実施し、補強効果や高感度な歪診断などを実証しております
研究成果
損傷メモリ機能を付加した自己診断材料による安全システム技術の開発
スマート複合材料のコンクリート構造体への適用
セラミックス構造形成のコンピュータシミュレーション
イメージ 我々は原子レベルからマクロレベルまでの各種の計算手法を用いてセラミックスの構造形成や機能特性などの研究を行っています。原子レベル計算では主に分子動力学法を用い結晶表面や異種界面など計算を行っています。ミクロからマクロレベル計算では、モンテカルロ法を元に独自に焼結・粒成長プログラムを開発し、さらにこれを有限要素法連携させることによりマクロレベルまでの焼結計算を可能としました。
研究成果
原子レベルからマクロレベルまでの材料シミュレーション技術の研究開発
焼結シミュレーションフォーラム
主な使用装置
JFCC開発 焼結・粒成長モンテカルロ(MC)シミュレーション
JFCC開発 MC-FEM連携シミュレーション
MOLDY, Materials Explorer, GULP, Cerius2

MC法およびFEM法を用いた焼結シミュレーション技術の開発
イメージ JFCCでは独自にMC法およびMC-FEM法を連携した焼結シミュレーション技術を開発しています。これらのシミュレーション技術を用いることにより、焼結時の組織形成設計や形状予測、焼結体内部の焼結歪みや密度分布の予測などが可能となります
研究成果
セラミックス組織形成の計算材料設計事例 1
セラミックス組織形成の計算材料設計事例 2 NEW
MC法およびFEM法を連携した焼結シミュレーション NEW
主な使用装置
JFCC開発 焼結・粒成長モンテカルロ(MC)シミュレーション
JFCC開発 MC-FEM連携シミュレーション
 

高速PVD開発
イメージ 高エネルギー(150kW)の電子ビーム銃を用いたEB-PVD装置に、複数ターゲットや基板加熱機能等を搭載し、各種温度、堆積速度等に関する精密計測・制御機能を付加することにより、高速でしかも制御されたナノ積層構造形成が可能なPVDプロセスを開発します
研究成果
電子ビーム(EB)-PVD装置によるセラミックスコーティング
主な使用装置
電子ビーム蒸着装置
低熱伝導化・熱的安定性・界面特性向上の構造制御
イメージ コーティングの熱遮蔽効果、熱的安定性とコーティング/基材間の界面特性を飛躍的に向上させるため、EB-PVD法等を用いて、ナノポア、ナノギャップ、ナノ粒子等を複合化したコーティング材料を開発しています
研究成果
ジルコニアコーティングのナノ構造制御と熱伝導率評価技術の開発
ジルコニア系セラミックスの高温安定性
EB-PVD法による新遮熱コーティングの開発
EB-PVD法による(La,Sr)MnO3膜の合成技術の開発

ナノコーティング材料設計シミュレーション
イメージ 分子動力学やモンテカルロシミュレーションを活用して、原子・分子・クラスターの蒸着現象のシミュレーション、異種材料の界面構造・密度・強度の解析、ナノ構造材料の熱伝導率の計算、あるいは結晶粒の粗大化や焼結(ポアの消滅)のシミュレーションを行っています
研究成果
EB-PVD膜の柱状組織およびナノポア形成メカニズムの解析
原子・分子計算機シミュレーション
電子顕微鏡によるナノ構造解析
イメージ ナノ構造制御技術の検証および機能発現機構の解明のために、高分解能電子顕微鏡等を用いた高温下でのコーティング構造の変化のその場観察技術を開発し、また結晶方位関係等の重要因子を変化させたセラミックス・金属界面構造の設計・解析技術を開発します
研究成果
電子ビーム(EB-PVD)法により形成されたジルコニア膜の微細構造


保有機器

MTS 810
MTS 810 強度・損傷検知特性評価装置。
複合材料全般の多種強度試験と電気物性応答さらに微細構造観察の同時計測が可能

時間領域反射法(ETDR)用オシロスコープ
AT 立上り時間40psのTDR計測による複合材料の損傷位置検知が可能

真空成形装置
2軸応力場中における複合材料の真空中加熱・加圧合成が可能

赤外線サーモグラフィー欠陥検出装置
機械写真10 検知器:2次元アレイ型InSb,
検知波長領域:4〜4.8m,
表示画素数:76,800画素,
観測測定範囲:40〜1200℃,
最小検出温度差:0.025℃(黒体温度30℃)

ピンオンディスク型摩擦摩耗試験機
協和技研(株)製PD-120
 

保有ソフトウェア
ミクロレベルシミュレーション

2次元焼結・粒成長モンテカルロシミュレーション

3次元焼結・粒成長モンテカルロシミュレーション

ミクロからマクロレベルまでのシミュレーション

3次元 モンテカルロ法 - 有限要素法連携 焼結シミュレーション

解析プログラム

粒径・粒径分布測定プログラム

気孔率測定プログラム

相連続性解析プログラム

接触率測定プログラム

原子系プログラム

分子動力学法ソフト(WinMASPHYC, MOLDYなど)

格子静力学法ソフト(GULP, SHELLなど)

構造モデル計算ソフト(Cerius2など)

ナノコーティングに関わる保有機器

電子ビーム蒸着装置
装置写真 150kWの高エネルギー電子銃、複数の蒸発ソースを搭載し、電子ビーム、各種温度、堆積速度等に関する精密計測・制御機能を付加することにより、制御されたナノ構造を有するコーティングの高速合成が可能な装置です

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