研究内容紹介
硬脆材料の超微細塑性加工
本研究室が独自に開発した超微細塑性加工装置を用いて,
ガラスやシリコンなどの硬脆材料や金属材料の表面などに, ナノ・ミクロン
スケールの表面構造を形成させることで, 特殊な光学特性や化学的特性を
発現させている. このような機能を持った材料表面を「機能表面(functional surface)」と
呼んでおり, 光学センサーやバイオチップなどへの応用を目指している.
★ ナノフォーミング加工による硬脆機能材料の微細加工
★ ナノフォーミングによる機能表面の開発
★ ナノフォーミングによる機能表面の開発
★ 高能率な超微細塑性加工法の開発
[関連論文など]
[1]Nano/micro structure fabrication of metal surfaces using the combination of nano plastic forming, coating and roller imprinting processes, Journal of Micromechanics and Microengineering, (2009)
[2]Development of functional surface by nano-plastic forming, Wear, (2009)
[3]Engineering surface and development of a new DNA micro array chip, Wear, (2006)
微細塑性加工を用いた結晶組織制御
金属材料の塑性加工と熱処理で生じる塑性変形や組織形成を実験とシミュレーションの
両面からアプローチし, その現象解明と組織制御手法を研究している.
特に, 最近では単結晶銅で生じる静的再結晶組織の形成機構の解明を目的として,
単結晶銅への超微細塑性加工による転位組織や熱処理による再結晶粒の構造を,
SEM, EBSD, TEM, FIBなど各種分析・加工装置を用いて, 総合的に実験を行っている.
★ ナノフォーミング加工による単結晶金属の微細加工
★ 金属の塑性加工における組織・材質予測法の開発
★ 金属の材質変化・組織変化現象の結晶塑性論による検討
[関連論文など]
[1]超微細塑性加工による単結晶純銅の結晶方位の変化, 日本機械学会誌, (2007)
ナノフォーミングによる機能表面の開発加工
ガラスやシリコンなどの硬脆材料の表面に微細な規則的形状をナノフォーミングで作り, この形状に起因する新しい機能を開発しようという研究である. 例えば化学的機能, 光学機能, 電子的機能, 機械的表面などを加工により自由自在に制御することを目指している.
これにより微細加工で表面エネルギーを変化させ, 撥水性や親水性を制御することが出来るようになるとが期待される. 具体的な応用例としてテーラーメード医療用DNAマイクロアレイチップや風呂場の床などに利用できる可能性がある. そのほかにガラス表面にサブμmレベルの微細凹凸形状を作成することにより光の透過率を向上させることができる, また複屈折を制御することが出来るようになり, 新たな光学デバイスへの応用が期待できる.
最近はさらに超微細塑性加工とスパッターコーティングを利用し下図のような微細なドットアレイを作ることに成功した.
200nmの白金のドットが等間隔で並んだ微細ドットアレイ
ナノフォーミング加工による単結晶金属の微細加工
単結晶Cuの微細加工(ナノフォーミング)と組織観察
ナノフォーミングによるCuの結晶方位回転量のEBSD測定結果({100}面)
金属の塑性加工における組織・材質予測法の開発
鋼などの金属を熱間で塑性加工するとひずみと熱処理の連成効果により組織変化が誘起され, 材料特性が変化する. この現象を積極的に利用することで優れた品質の材料・製品を作り出そうという研究である. このために加工によって生じる組織変化・材質変化をコンピュータでシミュレートする材質予測システムを開発している. このシステムをCADに繋げることにより最適な製品設計, プロセス設計, 工具設計を可能にし, 製品の高品質化, 高精度化, 低コスト化が可能になるだけではなく, さらに省エネルギー, 省資源, 低エミッション, リサイクル性を実現可能である. これは学問的な面から見ると塑性力学と冶金学を繋げようという研究で, 連続体力学や固体物理学などを駆使しています. 具体的には, 塑性加工によって材料に生じる物理的変化は下図のように塑性変形, 温度変化, 組織変化, 材質変化であり, それらは互いに相互作用を及ぼしており, 本研究ではこれらを関連付ける支配因子を解明し, 諸現象の支配方程式を提案しました.
これらの方程式群を用いて熱弾塑性有限要素法に導入することにより熱間塑性加工中の組織変化, 材質変化をシミュレートするシステムを開発した. 下図に純銅の鍛造加工における組織変化（平均粒径）のシミュレーション結果を示す. またその次の図は結晶粒径分布を実験結果と比較したものです比較したもので, よい一致が見られる.
純銅の鍛造加工における平均粒径のFEM解析結果
各加工部位における再結晶粒径分率
