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井上過冷金属プロジェクト
総括責任者 井上 明久
(東北大学総長補佐、東北大学金属材料研究所 所長・教授)
研究期間 1997年10月〜2002年9月
 
研究成果の概要
 通常の金属は融点以下では直ちに結晶化するが、特定成分(3経験則)の金属では過冷却液体が安定化することを見出してきており、本プロジェクトはこの過冷却金属液体(過冷金属)の高安定性の極限と機構を探求し、新たな物質科学の創出と新規な機能を持った金属材料の創製を目指した。
 その結果、3経験則を満たした合金では、(1)高稠密充填、(2)新局所原子配列、(3)長範囲均質相互作用の特徴をもった新ガラス構造が生成され、この新規原子配列構造が結晶への再配列を起こし難くして、過冷却液体が安定化することを明らかにした。相変態の観点からも安定化の機構解明を図り、安定化した金属―金属系過冷金属の初期析出相は20面体局所原子配列を含む準安定なfcc-Zr2Ni型相であるが、3経験則をはずす元素を少量添加すると初期析出物は正20面体準結晶となり、常に20面体的原子配列が関係していることを見出した。また過冷金属の究極の安定化には合金成分、不純物が主要因子であることを証明し、新規なFe基、Co基、Ni基、Cu基、Ca基、Mg基等のバルク金属ガラスやナノ結晶合金などを創製した。これらは、光学用部品、光通信用部品、電磁気部品、フレーム材、精密研磨部品、スポーツ部材、装飾品などとして実用化されてきている。

成果
新過冷金属の創製
  過冷金属の安定化に必要な合金成分の3経験則(@3成分以上の多元系、A3成分の原子寸法比が互いに約12%以上異なっていること、B3成分が互いに負の混合熱を有していること)に基づいて組成探査を行ない、新規なFe基、Co基、Ni基、Cu基、Ca基、Mg基等の多くの新しい過冷金属(バルク金属ガラスやナノ結晶合金)系を発見した。

過冷金属の組成域の計算予測とガラス形成能支配因子の解明
 La-Ni-Al系三元合金における金属ガラス組成域の計算予測を行い、ガラス形成域の実験値と計算値に概ね良好な一致をみた。また計算予測した液体相の化学的短範囲規則化度が最大になる組成と、実験による過冷却温度域が最大となる組成を比較し、金属ガラスが安定に形成される支配因子が構成元素の原子半径差、負の混合熱、化学的短範囲規則化度であることを明らかにした。

過冷金属の異常安定化機構の究明
 過冷金属の構造と熱的安定性を系統的に解明し、過冷金属の異常安定性が新規構造(@高稠密無秩序充填、A新局所原子配列、B長範囲均質相互作用)にあり、この新規原子配列構造が結晶への再配列を起こし難くして、過冷却液体が安定化することを突き止めた。

相変態の観点からの安定化の機構解明
 安定化したZr系過冷金属の初期析出相は20面体原子配列を含む準安定なfcc-Zr2Ni型相であるが、経験則をはずす元素を少量添加すると初期析出物は正20面体準結晶となる。
 正20面体は原子が密に詰まった構造であり、その高安定性が結晶化に伴う原子の再配列を抑制するため、高いガラス形成能が達成することを証明した。

過冷金属の基礎物性の解明
 過冷金属の究極の安定性を得るため、Pd基金属ガラスで結晶核の発生・成長に及ぼす合金成分や不純物の影響を系統的に調査した。その結果、結晶核発生のその場観察に成功すると共に、熱力学物性の実験データに基づき過冷金属の安定性を定量化した。また、臨界冷却速度は0.033K/sの極めて低い値となり、酸化物ガラスに匹敵する高ガラス形成能を有し得ることを示した。

新材料科学技術分野への展開
 過冷却液体金属の粘性流動挙動の解明により、新融体加工の創出と従来の結晶合金では得られない優れた諸特性を見出し、バルク金属ガラスを始めとする種々な非平衡材料群を新機能材料、構造用材料、電極材料、機械・光学・光通信部品材料等の外に、高密度記録材料などのナノテクノロジー用金属材料として独特な応用分野に展開できることを実証した。

graph1
▲過冷金属の特徴

graph2
▲過冷金属の結晶化に対する高安定化の概念図(従来の液体金属に比べて安定性6〜8桁も増大)

 
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