東北大学金属材料研究所

Institute for Materials Research, Tohoku University

第1部会
国際共同利用・共同研究拠点

研究所・センターの概要

所長
古原　忠
Furuhara, Tadashi　

キーワード: 材料物性、材料設計、物質創製、材料プロセス・評価、エネルギー材料、社会基盤材料、エレクトロニクス材料
住所: 〒980-8577
宮城県仙台市青葉区片平2-1-1

物質・材料研究の世界的中核拠点として

本研究所すなわち“金研”は、1916年、本多光太郎博士により、鉄鋼材料の自給という当時の社会的命題に答えるために設立され、2016年に創立百周年を迎えました。その100年の間、鉄鋼から金属全般、そして非金属へと研究領域を広げ、物質・材料の学術・応用研究の世界的中核拠点に発展しました。1987年には東北大学に附置したままで全国共同利用型の研究所に生まれ変わり、2009年には「材料科学共同利用・共同研究拠点」に認定されました。さらに、2018年11月には、「国際共同利用・共同研究拠点」に新たに認定され、材料科学分野の国際共同利用研究の一層の強化に取り組むとともに、環境・エネルギー､情報・通信、生体、高度安全空間など、最先端の科学・工学の基盤となる材料科学の学理の探求と応用を目的として、研究活動を推進しています。

令和元年度の研究活動内容及び成果

ハイエントロピー合金のナノポーラス化に成功－金属に多機能性をもたらす２つの技術の複合効果を利用し、新しい材料分野を開拓―

ナノポーラス化に関する独自技術を持つ本研究所非平衡物質工学研究部門（加藤研）では、様々な物質のナノポーラス化を通して新機能性材料の開発を進めています。
ナノポーラス化は、金属に無数の開気孔（ポーラス）を導入することで表面積を広げ、金属に新たな機能性をもたらす技術で、触媒や電極、ナノメカニクス材料などに使用されています。また、ハイエントロピー合金は、従来の合金を凌ぐ優れた低・高温機械的特性を持ち、その新規性が最近注目されています。
このたび、当研究室では、チタン、バナジウム、モリブデン、ニオブ、タンタルの5成分元素から成る体心立方格子系ハイエントロピー合金のナノポーラス化に世界で初めて成功しました。本研究成果は、金属に多機能性をもたらす2つの技術の複合効果を用いて新規材料分野を開拓した点でも大変意義があり、これを利用した大容量電解コンデンサや、その高い形態安定性を利用した超長寿命触媒等への応用が期待されます。

600℃、10分間の脱成分処理によって作製した体心立方格子系ナノポーラス・ハイエントロピー合金の電子顕微鏡像（挿入図は電子線回折図形）と、チタン、バナジウム、ニオブ、モリブデンおよびタンタルの成分分布を表す元素マッピング像

高耐久性ダイヤモンドライクカーボンの設計指針を提案 ―スーパーコンピュータ「MASAMUNE-IMR」による成果―

本研究所計算材料学研究部門（久保研）では、本研究所に2018年8月に導入されたスーパーコンピュータ「MASAMUNE-IMR」を活用し、ダイヤモンドライクカーボンの摩耗を誘発する原因となるトライボエミッション現象（摩擦した接触面から分子などが蒸発・放出される現象）のメカニズムを世界で初めて明らかにしました。さらに、ダイヤモンドライクカーボンの成分や周囲の環境を制御することで摩耗を減らすことが可能であることを示し、高耐久性ダイヤモンドライクカーボンの設計指針を明らかにしました。
ダイヤモンドライクカーボンはダイヤモンドに似た超低摩擦（物質同士がこすれあう時に極めて抵抗が小さい）材料ですが、その摩耗が材料寿命の低下のみならず、機械の故障、さらには予期せぬ事故を引き起こすため、安全・安心社会の実現に向けて、より摩耗しにくいダイヤモンドライクカーボンの開発が重要課題となっています。本研究成果は、宇宙ステーションや航空機エンジン等の機械システムの長寿命化に加え、故障・事故の防止への貢献が期待されています。

社会との連携

耐摩耗性と耐食性を両立した鉄鋼材料を開発

本研究所加工プロセス工学研究部門（千葉研）では、高硬度・高耐摩耗性かつ耐食性に優れた炭化物強化マルテンサイト鋼の開発に成功しました。
高速度鋼（ハイス鋼）に代表される炭化物強化マルテンサイト鋼は高硬度かつ耐摩耗性に優れるため、金型や工具等に幅広く用いられています。しかしながら、炭化物の形成により耐食性が低下するため、トレードオフの関係にある「硬度・耐摩耗性」と「耐食性」を両立した新材料やその材料設計の確立が強く求められていました。本研究では、微量の銅（Cu）添加することにより当該材料の耐食性が著しく向上することを見出し、高硬度と高耐食性が両立した新材料の開発に成功するとともに、耐食性が向上するメカニズムも明らかにしました。近年需要が拡大するスーパーエンジニアリングプラスチックの射出成形機部材のほか、化学・エネルギー分野において幅広い応用が期待されています。本成果は株式会社エイワ及び岩手大学との産学連携共同研究によって得られたもので、量産用の溶解炉・加工設備を用いた開発鋼の試作と射出成形の実機試験を通して開発鋼の実用化にも取り組んでいます。

(a) 開発鋼とCuを含まない比較鋼の腐食表面の比較と(b) 開発合金を用いて試作した射出成形用スクリュー

再生可能エネルギーの効果的な活用に向けた共同実験協定を締結　―電力使用量、蓄電量を見える化し、災害対応力向上をめざす―

本研究所先端エネルギー材料理工共創研究センターは、仙台市と株式会社NTTドコモと共同実験協定を締結し、平常時や災害時に再生可能エネルギー、特に太陽光発電からの電力を効果的に活用できるシステム構築に向けて仙台市内小中学校に設置されている蓄電池の最適制御や電力の見える化の実証実験を行っています。産学官連携のもとで、再生可能エネルギーの利用促進による環境負荷低減に貢献し、災害発生時の電力の見える化による地域の災害対応力向上と安全安心社会の実現に向けた取組みを進めています。