加藤研究室|東北大学金属材料研究所 非平衡物質工学研究部門

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研究内容

金属ガラス

新規金属ガラス合金開発

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構造緩和現象の解明

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過冷却液体粘性流動現象を用いたナノ・マイクロ加工

本研究室グループでは、金属ガラスは過冷却液体状態で原子レベルでの粘性流動を活用し、 インプリント加工による金属ガラスのマイクロ・ナノサイズ加工を行う研究に挑戦している。 インプリント加工は、金属ガラスをガラス転移温度Tgから結晶化温度Txの間で加熱し、また荷重をかけることによりマイクロ・ナノサイズ加工を可能にしている。 図1は金属ガラスのインプリント加工の概要図である。

図1:インプリント加工の概要図

その中で、本研究グループでは、東北大学多元物質科学研究所 百生研究所との共同研究により、Talbot干渉計への応用に関する研究が積極的に行われている[1-2]。 X線、中性子Talbot干渉計を用いた位相コントラスト画像は、水素や窒素といった軽元素で十分なコントラストが得られないという、 吸収コントラスト画像の欠点を克服しうる手法として大きな注目が集まる。 特に医療関連では、水素、窒素等の軽元素をメインに構成している生体軟組織の画像診断が必要であるため、実用面で大きな関心が持たれている。 また中性子線は金属に対しての透過率が高いことから、非破壊検査技術への発展が産業界から期待されている。 一般的にX線位相イメージングの解像度を向上するには、G2格子と呼ばれる回折格子を、より原子番号の大きい元素を用いて、 更に高アスペクト比で成形加工が必要となる。これまでX線用G2格子は、Auの電気めっきで作製されていたが、均一にかつ深くめっきするために長時間かかり、 それに伴う作製費の高額化が問題視されていた。また中性子用G2格子(Gd格子)に至っては、金属めっきによる作製に適用できない。 本研究グループは、金属ガラスの過冷却液体状態を用いたインプリント加工により、金属ガラス回折格子を作製し、これをX線、 中性子Talbot干渉計に応用することに成功した(図2、3)。この研究により金属ガラスのインプリント加工で、 短時間で安価なG2格子の作製が可能であるというブレークスルーを促した。
[1] W. Yashiro, D. Noda, T. Hattori, K. Hayashi, A. Momose and H. Kato, Appl. Phys. Express, 7(2014), 032501
[2] M. Sadeghilaridjani, K. Kato, T. Shinohara, W. Yashiro, A. Momose and H. Kato, Intermetallics, 78(2016), 55-63

図2:Pd基金属ガラス回折格子を用いたX線位相イメージング画像[1]
(a) Pd42.5Ni7.5Cu30P20金属ガラス回折格子の断面図
(b)X線位相イメージング画像

図3:Gd基金属ガラス回折格子を用いた中性子位相イメージング画像[2]
(a) Gd60Cu25Al15金属ガラス回折格子の断面図
(b)中性子位相イメージング画像

金属ガラスの複合化による機械的性質改善

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ポーラス金属

新規ナノポーラス材料の開発

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金属溶湯脱成分現象の解明

複雑形状の形成過程を理解するための数値解析モデルを構築しています。 現在は、優れた特性を持つ微細ポーラス(多孔質)材料を作製する革新的な手法である、「金属溶湯脱成分法」に着目しています。 Phase-field モデリングにより、微細構造の形成過程やその後の粗大化を正確にシミュレートできます。 また、シミュレーションと実験的な構造観察との協働により、金属溶湯脱成分現象における本質的な機構をより深く理解できます。 それらが、この新しい作製法に潜在する進歩への道を開くことになります。

ポーラス金属のエネルギーデバイスへの応用

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