水準の質的向上に関する目標
○ナノ組織・特殊構造化制御金属 材料
目標物性を実現するために必要な ナノ組織精密制御及びそれを可能 にする新材料創製方法の開発研究 を行う。それとともに、電子、原 子、ナノスケールでの新しい材料 物性評価解析技術の開発研究も推 進する。これを用いた軽量高強度 な構造材料、優れた磁気特性を示 す磁性材料、耐熱材料、生体材料 など実用応用材料の開発を目指 す。
ｂ）研究領域毎の研究活動の内容と水準の質的向上に関する 取組
○ナノ構造・組織化制御金属材料
①金属ガラスや過冷却金属液体に代表されるナノ構造・組 織化金属材料を開発する。
平成
16
年度 ・低磁歪特性のCo
基軟磁性バルク金属 ガラス、5500MPa の超高強度を示すCo-Fe
基バルク金属ガラス、100K を上回る大きな加冷却液体を持つ
Cu
基 バルク金属ガラスの創出に成功した。平成
17
年度 ・高い過冷却液体の熱的安定性を有するCu-Zr
ガラス合金において冷却速度の制 御 に よ り 、
1860MPa
の 高 強 度 で50％以上の超大塑性伸びのナノ結晶粒
子均一分散型のバルク金属ガラス複合 材料を合成した。・ガラス合金の高純度ガラス単相化技術 を開発し、自由体積の制御を試みた結
果
100MPam0.5
以上の破壊靭性値と1GPa
以上の疲労眼を有する極めて強 靭なガラス合金の開発に成功した。・低合金高炭素鋼マルテンサイトで生成 するナノ炭化物の非平衡―平衡遷移挙 動のナノプローブ
EDS
及び3DAP
解 析により、添加元素による時効軟化抑 制効果を解明した。・水焼入れ法により強磁性
Fe
基バルク 金 属 ガ ラ ス 合 金 と し て は 最 大 の7.7mm
径を実現した。また、従来のFe
基アモルファス急冷合金と比較し て、本質的な構造の均質性によりFe
基金属ガラスの方が低い保持力が得ら れることを見出した。・作製不可能と思われていた鉄族アモルフ ァス合金
FeBSi、CoBSi
およびNiBSi
のバルク金属ガラス化に成功した。新 規開発した
CoFeBSiNb
バルク金属ガ ラスは破断応力が4000MPa
の高強度 と、磁歪がほぼゼロの超軟磁性特性を示した。
NiFeBSiNb
バルク金属ガラスの破断応力は
Ni
基合金では最高の3800MPa
を示した。FeGaPCBSi
金属 ガラスの最適化を行い、高価なGa
元 素を含まない直径4mm
の新規FePC
系バルク金属ガラスを作製した。この 金属ガラスは1.43T
の高飽和磁化と2A/m
以下の低保磁力の優れた軟磁気 特性を示した。②生体材料などの新たな材料分野への進出に努める。
平成
16
年度 ・生体材料学研究部門の新設を決定した。・生体用バルク金属ガラスとして、Niを 含まない
Pd
基バルク金属ガラス及び 細胞との反応に適したポーラス状Pd
基バルク金属ガラスを開発した。・細胞毒性のない元素の組み合わせと加 工熱処理により、生体インプラント用 チタン合金としては世界最高の低弾力 性・高強度化を達成した。
・点欠陥制御工学に基づいた金属材料の ナノ組織制御技術の開発を進め、これ によって得られた金属材料のナノ表面 形態を利用し、機能性生体分子とのハ イブリッド化を試みた。さらに、高耐 食性強靭化フェライト系ステンレス鋼 のナノ組織制御と材料特性について研 究を進めた。
平成
17
年度 ・生体材料学研究部門を設置した。・SPS法にて低温・高圧印加焼結を施す ことで、アナタース構造のバルク
Ti0
2の成型に成功した。また超親水性に優 れたボロン添加
Ti0
2材をイオン注入法 とゾルゲル法で作製し、その結合状態 をXPS
により明らかにした。・窒素微量添加による安価な新規弾性チ タン合金の特性の熱処理による最適化
を行った。
・相の相安定性とマルテンサイト変態を 利用したチタン合金として新規な加工 プロセスを利用して、
50GPa
の低弾性 率 で1000MPa
を 超 え る 高 強 度 なTi-(Nb,V) -Sn
合金を開発した。・生体インプラント用チタン合金上にマ グネトロンスパッタ法によりアパタイ ト膜を作製し、生体適合性に優れるこ とを実証した。
・精密鋳造技術による金属アレルギーの 懸念の無いチタン製トランペットマウ スピースの開発に世界で初めて成功し た。
③X 線・電子線・中性子線回折、中性子散乱、分光、イメ ージング技術を実現する。
平成
16
年度 ・スピントロニクズ材料の評価のための 世界最高磁場の強磁場Ｘ線回折装置を 開発した。・材料のナノスケールでの不完全性につ いて、Si、GaN、SiGe、ZnSe の転位 の運動特性及び転位と不純物との欠陥 反応の基礎過程についてＸ線、電子線、
赤外分光、発光による解明を進めた。
また、転位・不純物酸素反応への磁場 の影響という新規現象を見出した。
・日本原子力研究所に保有する
2
台の装 置のうち、2 軸型単結晶回折装置を新 しく3
軸型分光器としてリニューアル した。また、中性子粉末回折装置の制 御用コンピュータ及びインターフェイ スを更新した。平成
17
年度 ・強相関物質の電子励起測定のために放 射光Ｘ線を用いた共鳴非弾性散乱法（RIXS）の観測理論を構築した。
・
50
テスラを超える世界最高の強磁場下 でのＸ線分光を実現し、磁場誘起電子 相転移の機構を研究した。・材料のナノスケールでの不完全性につ いて、Si、GaN、SiGe、ZnSe、ZnO
の転位や欠陥の固有特性及びそれらの 相互反応についてＸ線、電子線、赤外 分光、フォトルミネセンッス発光、ミ ューオノウムによる解明を進めた。
④計算機科学によるシミュレーション実験を整備する。
平成
16
年度 ・独自のシミュレーション計算プログラム
TOMBO
のスーパーSINET上での分散処理化によるナノ構造材料に関す る超大型計算を実施し、さらに計算材 料学センターのスーパーコンピュータ ーシステムの稼働率向上を図った。
平成
17
年度 ・独自の全電子混合基底法第一原理シミ ュレーション計算プログラムの開発と その商品化を行い、東北大ブランドの 普及に努めている。○環境・エネルギー関連材料 化石燃料の大量消費により発生し た二酸化炭素は、地球温暖化や異 常気象の頻発など、深刻な環境問 題を起こしている。また、原子力 を含めた化石燃料や資源の枯渇 は、将来の人類社会の大きな不安 要因となっている。これらの環境、
エネルギー問題における材料の果 たす役割は重要であり、クリーン なエネルギー源の開拓や、省エネ ルギー技術の向上のために、新材 料の開発が不可欠である。本所に おける材料研究は、広義には、ほ とんどが環境、エネルギー問題に 関わっているが、特に、1)エネル ギー変換材料の開発、2)省エネル ギー材料技術の開発を重点課題と して研究を推進する。
○環境・エネルギー関連材料
⑤太陽電池結晶、圧電材料、燃料電池関連材料に代表され るエネルギー変換材料を実現する。
平成
16
年度 ・組成分散を有するSiGe
バルク多結晶 を用いた太陽電池を提案し、Siバルク 多結晶太陽電池の1.3
倍の高い変換効 率を実現した。・燃料電池用の電極として極めて高い触 媒活性を有する材料、
Ru-C
ナノコンポ ジットを開発することに成功した。平成
17
年度 ・燃料電池技術に適用可能な6
質量%以 上の高密度水素を含む軽元素錯体水素 化物群の合成技術を確立して、その機 能化に成功した。・結晶粒方位と結晶粒サイズを制御でき る実用的なデンドライト利用キャスト 成長法を開発し、単結晶に近い高品質 の
Si
バルク多結晶を世界で初めて実 現した。この結晶を用いて太陽電池の 高効率化が可能であることを実証し た。・非鉛圧電素子材料の理論設計を行い、
PZT
と同等の圧電特性を有する新物質 を発見した。⑥超伝導材料、耐熱・耐食性材料、水素貯蔵材料などを利 用した省エネルギー材料技術の開発を進める。
平成
16
年度 ・リチウムやマグネシウム等の軽量金属を 含む新たな超伝導材料や水素貯蔵材料 を合成してそれらの基礎物性を解明し た。・耐熱・耐食材料として、
B
4C-TiB
2-SiC、
B
4C-TiC-SiC
系など、二元系及び三元 系共晶セラミックスを開発した。平成
17
年度 ・マグネシウムやカルシウム等から構成 されるペロブスカイト関連水素化物を 利用した新たな水素貯蔵材料を開発し た。・耐熱性と酸性水溶液中での耐食性に優 れた、残留応力の小さい
Al
20
3 薄膜を積層した
Fe-Al
合金を創製した。この材料は自動車排ガス用メタル担体への 応用展開を検討している。
・包晶反応により
YBCO
を作製するメル トテクスチャー法において、外部電場 を印加することにより、211 相の融解 プロセス、YBCOの核形成速度を操作 し、臨界超伝導電流に影響するYBCO
の組織構造の調整を行った。・
Li
系で10%重量以上の水素吸蔵可能と
する新物質の原子構造と物性の解明を 行っている。
⑦高速微量元素分析と高純度化の技術の開発を進める。
平成
16
年度 ・資源循環型社会の構築に貢献できる素 材の高度・高速選別を可能とする元素 分析装置の開発を環境省、日本鉄鋼協 会、鉄鋼環境基金の研究助成を受けて 進めている。実験室レベルの装置では 精度の優れた迅速分析が可能となって おり、実機応用に向けて研究を継続中 である。平成