強度材料物性学分野

教授
吉見享祐
准教授
関戸信彰
助教
井田駿太郎

21世紀の課題・地球温暖化。新しい材料の開発が、その解決の一翼を担う。自ら熟考し、行動するスタンスを軸に、未知の可能性の最前線へ。

 

作動温度を上げれば熱効率もアップ。過酷な環境に耐え得る材料開発を。
地球温暖化は、世界が直面している最も深刻な環境問題のひとつです。その原因には諸説ありますが、現在のところもっとも有力とされているのが、化石燃料を燃焼させることで排出される二酸化炭素(以下CO2)です。日本におけるCO2 直接排出量の部門別割合をみてみると火力発電などのエネルギー転換部門(約33%)と運輸部門(約20%)が半分を占めます※1。温暖化の抑制に向けたさまざまなアプローチ、選択肢を提供・提案していくことが研究を担う者としての使命・責務ですが、発電プラントや輸送機器の効率化を図っていくことによってCO2 排出削減を目指していこうとするのが吉見研究室の取り組みです。
発電プラント等では作動温度の上昇に伴い、熱効率も向上していくことが明らかになっていますが、現在は主蒸気温度600℃での稼働が主流です。さらに高温高圧に耐え得る材料の登場により、700℃級システムの実現に近づいていきます。吉見研究室では、高温下の過酷な環境においても高い性能・機能を維持する材料の開発で、プラントの高効率化に貢献していくことを目指しています。
※1 独立行政法人国立環境研究所「日本の1990 ~ 2009年度の温室効果ガス排出量データ」(2011.04.26 発表)

高精度な材料評価は、合理的かつ適正な材料設計に不可欠な指針。
自動車の燃費向上は、車体の軽量化がカギ。車両重量が100㎏減少すれば、リッター当たり1㎞の燃費改善が期待されるといわれます。吉見研究室では、軽い材料の代名詞ともされるアルミニウム(密度2.70g/cm3)よりもさらに軽量で比強度(引っ張り強さ)にも優れるマグネシウム(密度1.74g/cm3)に注目。これまで室温での扱いが難しく利用されることがなかったマグネシウムですが、近年、結晶粒の微細化による新しい加工性が示されました。吉見研究室では自動車に展開できる優れた合金への可能性を探索しています。
厳しい環境で使用される材料は、信頼性が前提条件となります。吉見研究室では、高温下でどのように変形・破壊していくのか、またどれぐらいの時間にわたって性能が担保されるのか(寿命予測)といった評価に関する研究も行っています。こうした高精度な材料損傷評価は、合理的で適正な設計に向けた重要な指針にもなります。
先端研究は、教科書に載っていない、あるいは書き換える可能性を持つ未知の事象を開拓していくことに他なりません。吉見研究室では、自ら発想・思考、行動する姿勢を軸に、材料の最前線を探究しています。

Projects

高融点金属モリブデンを使った ~究極の耐熱性を有する超高温材料の開発~

エネルギー変換効率アップの鍵は、過酷な環境に耐えられる“材料”にあり。

Mo/Mo3Si/Mo5SiB2 三相合金とその他の耐熱材料の高温降状強度の比較*
* K. Yoshimi, S. Nakatani, N. Nomura and S. Hanada: Intermetallics, 11 (2003), 787 - 794.

温度環境1500℃超!過酷な現場で‘使える’材料を。

「材料」にとって最も過酷な‘現場’といえば、温度環境が1500℃以上にもなるジェットエンジンや発電プラントの心臓部であるタービンブレードが挙げられます。ガスタービンは稼働温度を高めれば高めるほど出力(パワー)が上昇し、それに伴いエネルギー変換効率が向上していくことが理論的に明らかになっています。効率が上がれば、化石燃料の消費が抑制され、ひいては地球温暖化の原因とされるCO2 排出の削減にもつながっていきます。
現在、タービンブレードにはニッケル(Ni)基超合金が実用されていますが、その融点は1400℃程度。70年前に登場して以来、開発が重ねられてきた超合金もすでに耐熱限界に達しているといわれています。融点以上になる温度条件でも、その性能を担保するために部材表面をセラミックスなどで熱遮蔽コーティングしたり、燃焼ガスに空気を混合し強制的に冷却したりしています。将来技術における運転時の温度環境は、さらに過酷なものとなることが予想されます。こんにちの主流であるNi基超合金よりも高温で使用でき、究極の堅牢性と信頼性を兼ね備える“超”高温耐熱材料の開発が待望されています。

多くの困難を乗り越えて、材料開発のフロンティアへ。

吉見研究室では、融点が2617℃というモリブデン(Mo)に注目。これまでの研究でMoに「シリコン(Si)」「ホウ素(ボロン;B)」を添加したMo-Si-B 合金が、超高温下においてきわめて高い強度(高温降伏強度)を発揮することを突き止めました。モリブデン金属相とMo3Si、Mo5SiB2からなる三相合金は、1500℃という条件下でおよそ900MPa(メガパスカル)という強度を示します。これはニッケル基超合金(第3世代単結晶)の900℃を大きくしのいでいます(下図)。今後は、この三相合金をさらに改良することで、軽く頑健で加工性に優れた特質をもつ材料に洗練させ、無冷却・無遮熱でジェットエンジンの高圧タービンに適用できる超高温材料につなげていくとともに、その超高温特性を明らかにすることを目指しています。
新規材料研究の宿命ともいえますが、吉見研究室の取り組みは試行錯誤の上に成り立っています。実験で得られたデータを蓄積、体系化し、ひとつの知見へと構築していく…そこは多くの困難が立ちふさがるフロンティアですが、世界で初めての材料創製を成し遂げたいというチャレンジングな意欲に応えてくれるフィールドなのです。

Topics

吉見研究室50年の伝統、白銀の世界へ『スキー合宿』
OB・OGも参加して大賑わい!

卒業論文、修士論文の提出・発表も無事終わり、ほっとひと息の2月下旬、吉見研究室では40年の伝統をもつ2泊3日の旅行が開催されます。めざすは白銀の世界! 学生、教員・スタッフ、そして既卒者を含めた総勢30人ほどで繰り出すスキー合宿です。
美しいシュプールを描いて滑降してくるのは、雪国・新潟出身の丸山先生。学生時代はシーズン中、スキーに明け暮れたという腕前は健在です。片や何とも定まらないフォームなのが、ほとんどが初心者という学部4年生。それでも先輩のスパルタ指導(?)の甲斐あってか、合宿を終えるころには見事なパラレルターンを披露する人も。スキーの後の温泉、食事、宴会もまた楽しみ。先輩・後輩の垣根を越えて、研究・進路、そして人生について語り合いつつ……雪の夜は更けていきます。

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