研究内容・設備

　当グループでは、走査型電子顕微鏡（SEM）、透過型電子顕微鏡（TEM）、3次元アトムプローブ（3DAP）を用いた微細組織解析を基盤として、特性発現メカニズムの理解や高特性材料の開発、微細組織解析手法の高度化に向けた研究を進めています。
　ここでは、研究で用いる手法やグループでの研究テーマ、そして研究で用いる主要設備を紹介します。

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  FIB/SEMによる3次元組織解析
  
  FIB-SEMシリアルセクショニング法は、集束イオンビームによる断面加工とSEM観察を交互に繰り返し、材料の3次元組織を再構築する手法です。数nmの分解能を保ちながら数十µm角の領域を取り扱えるため、結晶粒や析出物の空間分布に加え、き裂や介在物といった特異点の連結性・形態を、断面像では避けられない曖昧さなしに評価できます。我々は装置構成と解析手法の開発から取り組み、金属だけでなくセラミックス等の構造材料だけでなく、ガラス、高分子、生物試料まで応用を広げています。

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  TEMによる界面解析
  
  実用的な材料の多くは多結晶・複相であり、結晶粒界や異相界面を含んでいます。それら粒界・界面は、幾何学的な関係に基づいて多様な原子配列で構成されており、材料の特性と密接に関係しています。我々は、主に電子顕微鏡を用いて界面組織・構造をマルチスケールで解析するだけでなく、電子顕微鏡の分解能を活かして単一の界面が有する特性、物性を静的あるいは動的に定量評価する技術開発にも取り組み、応用を進めています。

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  3次元アトムプローブを用いたナノ～原子レベル組織解析
  
  3次元アトムプローブ（3DAP）は、金属材料中に存在する元素の三次元分布を、サブナノメートルの空間分解能で再構築できる分析手法です。TEM試料の厚さよりも小さな析出物や原子クラスターなど、TEMでは組成や元素分布を定量的に評価することが難しい微細組織を詳細に解析できます。また、極微小な領域における軽元素を含む各元素の分布を、定量的に評価できることも大きな特長です。これにTEMによる構造解析を組み合わせることで金属材料中のナノ組織を詳細に明らかにし、特性発現の起源の解明を進めています。

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  3DAPを用いた微量な水素の分布の解析
  
  　3DAPは飛行時間型質量分析により原子種を同定するため、水素を含む全元素の分析が可能です。しかし、環境中から侵入し、水素脆化などの原因となるようなppmオーダーの微量な水素の分析を分析することは依然として困難です。私たちは、水素に代えてその同位体である重水素を試料に拡散させることで、試料中の水素と雰囲気由来の水素を区別し、水素脆化が問題となる高強度材料中の水素トラップサイトの同定を進めています。

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  3次元積層造形材料
  
  　レーザ粉末床溶融結合法（Laser Powder Bed Fusion: LPBF）に代表される金属3次元積層造形は、急速凝固と複雑な熱履歴を利用して、従来の鋳造や加工では得られない微細組織を形成し、優れた特性を発現させることができます。そこで、SEM、TEM、3DAPを駆使して、特異な微細組織の形成過程と特性の関係を明らかにする研究を進めています。

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  軽金属材料
  
  　アルミニウム合金やマグネシウム合金などの軽金属材料は、構造物や部品の重量を大幅に低減できるため、輸送機器の燃費向上、航続距離延長、省エネルギー化を可能にします。特に、押出材や圧延材などの展伸材を活用するには、高い強度と優れた加工性の両立が重要となります。当グループでは、溶体化処理後にアルミニウム合金に匹敵する室温での成形性を示し、その後170 ℃で20分という短時間の時効処理により高い強度を発現する「塗装焼付硬化型マグネシウム合金」を世界に先駆けて開発しました。また現在は、不純物に対する許容度の高いアルミニウム合金の開発を目指した研究を進めています。

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  ネオジム磁石
  
  　最強の磁石として知られるネオジム磁石を、電気自動車などの駆動用モーターなどとして使用するには、高い保磁力を付与せねばなりません。現在、Dyなどの重希土類金属元素を添加してこれを達成していますが、重希土類金属の使用量を著しく低減、もしくは添加せずに保磁力を向上させることが求められています。
  　当グループでは、このネオジム磁石の微細組織とその組織形成過程を詳細に理解し、微細組織制御によってネオジム磁石に高い保磁力を付与するための研究を進めています

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