特異構造金属・無機融合高機能材料開発共同研究プロジェクト

新家 光雄

【構成員】

プロジェクトリーダー (兼)： 新家 光雄 教授（兼） 牧野 彰宏

准教授： 張 偉、福原 幹夫、謝 国強、山浦 真一 （兼）

客員教授： 王 新敏

助 教： 梅津 理恵、関 一郎、秦 風香、王 英敏、朱 勝利

特別教育研究教員： 吉田 肇、孫 根洙、川嶋 朝日、松浦 眞、房 燦峰、三浦 英美 技術補佐員： ［2 名］／ 事務補佐員 ［2 名］

【研究成果・全体】

平成 17 年度からスタートした３大学研究所連携の「金属ガラス・無機材料接合開発共同研究プロジ ェクト」での基盤的研究成果を基づいて、今年度より新たに 3 大学を加えた 6 大学連携「特異構造金 属・無機融合高機能材料開発共同研究プロジェクト」が始まった。この 6 大学研究所連携プロジェク トは東北大学金属材料研究所、東工大の応用セラミックス研究所、大阪大学の接合科学研究所を始め、

今回新たに環境・エネルギーに特化した名古屋大学エコトピア科学研究所、広範囲なエレクトロニク ス材料の加工・デバイス化に特化した早稲田大学ナノ理工学研究機構、さらに我が国を代表する生体 医療材料研究機関である東京医科歯科大学生体材料工学研究所の 3 研究所が加わった。これらの 6 研 究所の有機的な連携研究により、新機能材料の開発段階から接合機能と応用機能発現を考慮した材料 開発、さらには接合技術、応用技術に亘る総合的な技術開発のプロジェクトが開始された。平成 22 年 度は最初の年度であり、環境・エネルギー材料開発、エレクトロニクス材料開発、生体・医療材料開 発および実用加速で研究が開始された。

【研究成果・各分野】

「環境・エネルギー材料開発」、「エレクトロニクス材料開発」、「生体・医療材料開発」、「実用加速」

の 4 分野につき 6 大学連携の共同研究がスタートした。

１．環境・エネルギー材料開発分野は名大と共同で、金属ガラス製の燃料電池用セパレータの電池特 性を中温域・低加湿条件で評価した。

２． エレクトロニクス材料開発分野は早大で水素固溶したNi-Nb-Zrアモルファス合金において、リボ ン作製法とスパッター法の両方からデバイス化を目指している。

３． 生体・医療材料開発分野は金属ガラス／セラミックス／アパタイト被覆高性能新規生体材料を開 発した。３大学の連携成果として得られた Ti 基金属ガラスを東京医科歯科大で生体機能化と評価 を実施している。

４． 実用加速分野は生体材料の応用促進として企業と連携して金属ガラス医療機器を開発している。

Ref. 1-1

Z.W. Zhu, W. Zhang, G.Q.Xie and A.Inoue

Relation between glass and quasicrystal formation in the Zr–Nb–Cu–Ni–Al alloys upon solidification,

Appl. Phys. Lett., 97, (2010), 031919-1-3.

Abstract

We reported the relationship among the icosahedral short-range order (ISRO), glass formation and quasicrystal formation in the Zr–Nb–Cu–Ni–Al alloys. The alloys with the Nb addition stabilized ISRO, making the alloys form the amorphous, quasicrystal and crystal with decreasing the cooling rate. Not only bulk glass but also bulk quasicrystal were found to form for these alloys. The structural evolution from the amorphous phase, to the quasicrystal and crystals with the variation in the Nb content or the cooling rate is present. These findings were related to the degree of ISRO, which are advantageous for understanding the glass formation phenomenon.

Ref. 1-2

W. Zhang, F. Jia, X. Zhang, G. Xie and A. Inoue

Effect of Nb concentration on thermal stability and glass-forming ability of soft magnetic (Fe,Co)-Gd-Nb-B glassy alloys, Metallurgical and Materials Transactions A, 41A, (2010), 1685-1690.

Abstract

Addition of a small amount of Nb to the (Fe,Co)-Gd-B glassy alloy in (Fe0.9Co0.1)71.5-xNbxGd3.5B25 increased the stabilization of supercooled liquid. The largest supercooled liquid region of 104 K was obtained for the x = 2 alloy. A distinct two-stage-like glass transition was observed with further incresing Nb content. The nanoscale (Fe,Co)23B6 phase precipitated in the glassy matrix after annealing, while the two-stage-like glass transition disappeared, indicating that the anomalous glass transition behavior originates from the exothermic reaction for the formation of the (Fe,Co)23B6 phase in the supercooled liquid region. The glass-forming ability (GFA) also increased by addition of Nb, leading to formation of the bulk glass form for the Nb-doped alloys. The best GFA with a diameter of over 3 mm was achieved for the x = 4 alloy. The (Fe,Co)-Gd- Nb-B glassy alloys exhibited good magnetic properties, i.e., rather high saturation magnetization of 0.81 to 1.22 T, low coercive force of 2.5 to 5.8 A/m, and low saturated magnetostriction of 9 to 19 x 10^-6.

Ref. 2-1

M. Fukuhara, N.Fujima, H.Oji, A. Inoue and S. Emura

Structures of the icosahedral clusters in Ni-Nb-Zr-H glassy alloys determined by first-principles molecular dynamics calculation and XAFS measurements

J. Alloy. Comp., 497, (2010), 182-187.

Abstract

To elucidate the hydrogen localization sites in the atomic clusters of Ni-Nb-Zr-H glassy alloys exhibiting room-temperature Coulomb oscillation, we investigated the effect of hydrogen on the electronic state of the elements forming the glassy alloys, as well as the coordinating position of the hydrogen atoms, by X-ray absorption fine structure (XAFS) analysis, referencing theoretical simulation results. The XANES (X-ray absorption near edge structure) part of the XAFS spectra for each (Ni, Zr and Nb) K-edge of (Ni0.36Nb0.24Zr0.40)89H11 shows clear multiple scattering effects caused by charged hydrogen atoms. The

distorted Ni5Zr5Nb3 cluster with the maximum size of 0.55 nm is characterized by five Ni atoms constituting half a pentahedron and an opposite pentahedral Zr-Nb assembly. For the hydrogen localization sites, the first-principles calculations show that there are two Zr-Zr-Nb-Nb, four Zr-Zr-Zr-Nb, two Zr-Zr-Nb-Ni and two Zr-Zr-Zr-Ni tetrahedrons, in the order of stability.

Ref. 2-2

M. Fukuhara, and M. Ban

Chaotic properties in quantum transport for Ni-Nb-Zr-H glassy alloys Chaos, 20, (2010), 033107-1-4.

Abstract

We analyzed the dynamical evolution of an ensemble of electrons performing macroscopic resonant tunneling for room-temperature millimeter-sized Coulomb oscillation in Ni-Nb-Zr-H glassy alloys as a function of cluster size and boundary length, using a one-dimensional (1D) Kronig-Penny model. The reflection coefficient showed a stagnant chaos around a narrow torus for a superlattice with a cluster size of 0.55 nm and boundary distance of 0.23 nm. The transmission and reflection coefficients show stationary chaotic behavior in periodic units with decreasing in boundary distance rather than increasing cluster size.

Ref. 3-1

G. Q. Xie, M. Fukuhara, D. V. Louzguine-Luzgin and A. Inoue

Ultrasonic characteristics of porous Zr55Cu30Al10Ni5 bulk metallic glass fabricated by spark plasma sintering

Intermetallics, 18, (2010), 2014-2018.

Abstract

We fabricated large-size porous Zr-based (Zr55Cu30Al10Ni5) bulk metallic glass by a spark plasma sintering process using the gas-atomized Zr55Cu30Al10Ni5 glassy alloy powder. The elastic and damping behaviors of porous Zr-based glassy alloy were investigated as a function of porosity at room temperature. Bulk modulus (K) and Lamè parameter (λ) decrease in a parabolic manner, while Young’s (E) and shear (G) moduli decrease gently with an increase in porosity. The Young’s modulus of the sintered porous glassy alloy samples with the porosity of about 20-40% can match that of human bone. The order of K, λ, E, and G, which is monopolistically characteristic of nonporous glassy alloys, changes to the order of E, K, G, and λ, reflecting a crystalline-like deformation mode which is further confirmed by combining the decrease in Poisson’s ratio with the increase in G/K and E/K ratios up to 34.4% porosity. An increase in porosity induces frequency convergence for longitudinal wave, as well as increases in the longitudinal and shear attenuation coefficients.

Ref. 3-2

F. X. Qin, T. Wada, X. J. Yang, X. M. Wang, M. Yoshimura, K. Asami and A. Inoue Bioactivity of a Ni-free Ti-based metallic glass

Mater. Trans., 51, (2010), 529-534.

Abstract

A bone-like apatite layer was formed on a Ni-free Ti-based (Ti40Zr10Cu36Pd14) metallic glass. A two-step treatment method, i.e., hydrothermal-electrochemical treatment followed by pre-calcification treatment, was developed to prepare a bioactive surface on the Ti-based metallic glass. The combination application of hydrothermal-electrochemical and pre-calcification treatments on the Ti-based metallic glass accelerates the nucleation and growth rates of apatite in Hanks’ solution. The hydrothermal-electrochemical treatment induces a much larger surface area, increases the thickness of titania and titanium concentration on the surface of the metallic glass. The micro-porous and network surface leads to much more adsorption of HPO4- or/and Ca²⁺ ions stimulating the nucleation of calcium phosphate layer on the metallic glass. Apatite layer can be formed quickly for only several days in Hanks’ solution through this two-step treatment. It makes possibility to apply Ti-based BMGs as novel biomedical implants.

【国際会議など】

2010 年 11 月 11 日に六大学連携の国際会議（Visual-JW 2010）が大阪府吹田市で開催された。また、

6 大学公開討論会が 2011 年 3 月 10 日田町キャンパスイノベーションセンターにおいて開催された。上 記と平行して、環境・エネルギー材料開発、エレクトロニクス材料開発、生体・医療材料開発分野別 の 6 大学連携会議がもたれた。

【研究計画】

１． 環境・エネルギー材料開発分野は主に燃料電池構築に向けての素材、触媒用のナノポーラス材料 および新型の磁性材料を開発する。また、各大学と連携研究を通じて異なる学問分野の融合によ る新たな機能材料も開発する。

２． エレクトロニクス材料開発分野は、エレクトロニクスデバイスに向けての素材開発、周辺機器開 発及び各大学の得意とする材料・接合技術の融合を計る。

３． 生体・医療材料開発分野では金属ガラス被覆アパタイト複合体の各種分野への応用化とその生体 試験に向けての素材開発、周辺試験を実施する。また、生体用金属ガラス複合材料、ポーラス、

非磁性材料の開発を行う。

４． 実用加速分野は主に生体・医療用合金の開発に特化して応用研究を行う。