爆発圧接法を用いた微細多数穴によるチャンネル（ユニポア）構造の創製
熊本大学 産業ナノマテリアル研究所
教授 外本 和幸（2019 年度 重点研究開発助成 課題研究 AF-2019005-A3）
キーワード：爆発加工，爆発圧接，多孔質材料，ユニポア

１．研究の目的と背景
多孔質材料は，エネルギー吸収能や遮音性，熱伝導性など，多様な機能的特徴を有する新素材である．本研究では，多孔質構造に方向性を持たせた材料（ユニポア材）の創製を，爆発圧接法を応用することで実現しようとする．爆発圧接法は，異種金属でも非常に高い接合強度を実現できることから 1)，この技術を応用することで一方向にそろえた多数穴構造を実現できることがこれま

図２

円筒型ユニポア材の断面 2)2)での研究で明らかにされている ．
類似の材料としては，ロータス型ポーラス金属 3)がよ

２．円筒型ユニポア材の創製と評価く知られているが，この方法では金属溶湯中にガスを導従来型と異なる内部構造を持つユニポア材の創製を試入しながら伸長された多数穴構造を形成するので，穴のみた一例を，図３の断面写真に示す．この場合は，大き構造は比較的微細かつ不均一である．これに対してユニさの異なる 2 つの太い銅管の間に，銅の細い丸棒とステ

ポア材は，均一な断面構造を持つ多数の管に，後で取りンレス鋼細管にロウを挿入したものを交互に配置して，出すことのできるロウなどを封入してその外側から爆発

図１と同様の方法で爆発圧力を作用させることで成形し，力を作用することで，一体化された均一なチャンネル複合構造のユニポア材を得ることを試みた結果である．

（ユニポア）構造を実現できる（図１，図２）．

この場合，円筒形状のステンレス鋼管が四角形状に変形

本報告では，円筒型と平板型のユニポア材の創製法と，各種の特性評価を実施した研究成果について報告する．

して矩形断面のチャンネル構造を得ることができた．
図４に AUTODYN-code を用いた変形過程の数値解析結果を示すが，細い水色の部分がロウを封入したステンレス鋼管で，実験結果と同様に矩形のチャンネル構造が得られることが確認されている．
図５に温度分布の数値解析結果を示すが，空隙が最後に閉じる矩形断面の折れ曲がり部分の付近に 1000℃を超える高温領域が生じており，銅の一部に溶融が生じると推察された．実際の断面組織においても，矩形に折れ曲がったステンレス鋼近傍の銅の部分に溶融が確認されている．

図３
図１

円筒型ユニポア材の製造方法 2)複合構造からなる円筒型ユニポア材の断面組織

図４

AUTODYN による変形過程の数値解析結果
数値解析のための多孔質材料の高速衝突モデル 4)

図６

図５

温度分布の数値解析結果（10s 後）

多孔質材料は，衝突変形時のエネルギー吸収材料等への期待もあり，本研究では火薬衝撃銃を用いて高速衝突実験を実施することを試みた．ここでは，立方体形状（17.3x17.3x17.3mm3）に切り出した材料を穴が整列している方向に対して垂直に加速して，厚い鋼板上に数百m/s の速度で衝突させ，高速度カメラを用いて光学観察実験を実施した．この実験では，空隙が閉塞する時に発図７

空隙の閉塞挙動に関する数値解析結果 4)

光現象が観察され，超高温・超高圧が発生している状況（衝突速度 400m/s の場合）が確認された．同じ条件で AUTODYN を用いた数値解析（図６が衝突モデル）を実施した結果（衝突速度 400m/s

この他にも，ユニポア材の伝熱特性評価を実施して伝の場合）を図７に示す．穴の変形は，まず加速方向に穴熱相関式を構築した．これを活用し，10MPa の圧力下にを押しつぶす現象が生じ（図７(a)の左向きの矢印），そおけるヘリウムガス冷却（管内流速；25m/s）で 30,000の後鋼板との衝突で生じた反射波によって逆方向への速W/m2/K を超える熱伝達係数が得られたことから，ガス冷度成分も生じ（図７(b)の右向きの矢印），これらが対向却ダイバーターとしての利用の候補にもなり得ることが衝突することで穴が閉塞することが確認された．穴が閉知られた 5)．

塞する時の対抗衝突で生じる圧力は 16GPa 程度と見積もられ，超高圧の発生技術としても応用が可能ではないか
4)と期待している ．

３．平板型ユニポア材の創製と評価
本研究では，平板形状のユニポア材の創製も試みた．

ここで円筒形状ではなく，三角形状の穴形状を用いた

ここでは微細なマイクロチャンネル構造の実現を目指し場合のシミュレーションも実施したが，形状を工夫するて，数百m 程度の多数の溝（穴）をエッチングで形成しことで 70GPa 程度の超高圧の発生が可能であることが予た板を，多層爆発圧接法 6)を応用して一挙に接合するこ測された 4)．この場合は，三角形の傾斜角をうまく調整とを試みた．特に本研究では回収材料表面の凹凸の低減

して金属の傾斜衝突で生じる材料の高速流れを左右の 2を目的として，爆薬と試料の間にゼラチンを挿入する方ヶ所に形成し，これらを対向衝突させて 1400m/s 程度の法 7)を用いて接合実験を行った．

相対速度を生じさせることによって，さらに高い圧力を4)実現できる可能性が示された ．

この実験では数百m 厚さの板を多層接合することから，爆発圧接が良好な状況で実施可能かを確認することを目的として，火薬衝撃銃を用いた多層爆発圧接過程の可視Abs.Vel.

化実験を実施した．図８に高速度カメラを用いた連続画

1000 m/s

像を示すが，多層に積層された金属薄板同士の高速傾斜衝突時に激しい励起による発光（金属ジェット）が連続移動していることが明瞭に観察され，薄板の多層接合に際しても良好な接合が期待できることが知られた．

Material contour

dVelocity contour(0~1000 m/s)

0 m/s

図９

爆発圧接過程のシミュレーション結果

穴のない金属薄板（0.3mmm 厚）と，0.5mm 幅の貫通溝を並行に多数設けた金属板を交互に配置し，多層爆発圧接法を用いて作製した材料の横断面組織を図１０に示す．
図１０(a)は銅，(b)はステンレス鋼（SUS304）を用いた場合の結果で，接合境界に剥離などはみられず，良好な接合状態を示した．図１０で示した実験では溝を爆轟方向に平行に配置したが，溝を爆轟方向に垂直に配置した
場合でも良好な接合が確認されている．
これらの実験では，溝部に Sn を予め挿入して，接合後に溶融させて Sn を除去した．図１１(a)に銅のマイクロチャンネル部分の EPMA 観察結果を示すが，左が Cu の濃度分布，右が Sn の濃度分布を示す．ここではチャンネルの壁面の一部に Sn の残存が確認されるとともに，その場所に Cu の存在がみられることから，合金化を生じた部分がわずかに生じていた．図１１(b)はステンレス鋼の結果を示すが，壁面には Sn の残留のみが観察された．この場合，ステンレス鋼と Sn の融点の差が大きいために，合金化は生じていないと思われた．
微細なチャンネル構造を利用して，マイクロリアクタ―を模したユニポア材の創製の可能性についても検討した．図１２は 0.5mm 厚さのステンレス鋼に 0.5mm 幅，深さ 0.25mm の半円形状の溝を片側のみに形成した接合前の試料である．この試料に対して，前述と同様の方法でステンレス鋼の薄板を接合することを試みた．接合試料の横断面組織を図１３に示すが，この場合も接合境界に剥離などはみられず，良好な状態で接合されていることが確認された．
図８

衝撃銃を用いた多層爆発圧接過程の光学観察結果(a)（ターゲット傾斜角 10°，衝突速度 430 m/s）
図９に多層爆発圧接過程のシミュレーション結果(b)（AUTODYN による）を示すが，光学観察結果と同様に金属ジェットの形成が確認されている．一方で，爆発圧接で接合境界にみられる波状界面の形成は模擬できていな
いが，実際の接合体の顕微鏡組織では，波状界面の形成が確認されている．

図１０

多層爆発圧接法によって得られたマイクロチャンネルの断面組織

図１４は，得られた接合体について X 線 CT を用いて内部の構造を観察した結果である．観察領域の制限があ(a)ることに加えて，サンプルの傾斜があったために試料のフォーカス位置が写真毎に異なっているものの，図の赤丸で囲まれた領域のそれぞれに明確な空隙構造が形成されていた．

４．まとめ
本研究では爆発圧接技術の新しい応用として，微細な(b)多数穴構造を有する多孔質材料（ユニポア材）の創製を試みた．
円筒型形状の材料では，複雑な内部構造を有するユニポア材の創製法や，高速衝突による材料の変形挙動・空隙が閉塞する時の超高圧力発生の可能性などについて明らかにすることができた．

図１１

マイクロチャンネル部分の EPMA 観察結果

金属薄板の多層爆発圧接法を利用した平板状のユニポア材の創製に関しては，爆発圧接過程の可視化や接合組織の解析を行い，良好な接合状態が実現できていることが確認された．
爆発圧接法を利用することで強固な接合が実現できることが，本法の利点であると考えている．爆発圧接では数メートルサイズの異材接合体が実際に生産されており，10.5mm

将来，大型のユニポア材の供給も実現できるのではないかと期待している．

23mm
謝 辞

公益財団法人天田財団の助成金によって本研究を推進することができ，厚くお礼申し上げます．また，研究に協力していただいた熊本大学の田中

図１２

片面溝加工を施したステンレス鋼薄板素材

茂准教授，稲尾大介博士，マリボル大学（スロベニア）の Zoran Ren 教授，
Matej Vesenjak 教授，熊本高専の西学の森雅俊講師，崇城大昭寿教授，山陽小野田市立山口東京理科大学の結城和久教授，沖縄高専の下嶋賢准教授，さらに実

図１３マイクロリアクタ―を模した接合体の断面組織

験・研究に参画された学生諸氏にも，深謝します．

参考文献
1)例えば；外本和幸：溶接学会誌，87-1 (2018), 43-47.
2)K.Hokamoto, M.Vesenjak, Z.Ren: Mater. Lett., 137(2014), 323-327.
3）https://www.lotus-t-s.co.jp/(2023 年 5 月 10 日参照)
4)M.Nishi,S.Tanaka,A.Mori,

M.Vesenjak,Z.Ren,

K.Hokamoto: Metals, 12 (2022), 128.
5)K.Yuki, R.Kibushi, R.Kubota, N.Unno, S.Tanaka,
K.Hokamoto: Energies, 15(2022), 1042.
6)K.Hokamoto,

A.Chiba,

M.Fujita,

T.Izuma:Composites Engineering, 5-8 (1995), 1069-1079.
7)D.Inao, A.Mori, S.Tanaka, K.Hokamoto: Metals, 101 (2020), 106.

図１４X 線 CT を用いた内部構造の観察結果