日本金属学会会報

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56

http://jim.or.jp/

平成29年 3 月 1 日発行（ 毎月 1 回 1 日発行）

Vol.56 No.3 ISSN 1340-2625

特集 創立 80 周年記念特集「材料科学の変遷と展望〜社会からの要求に応えて〜」

春期講演大会プログラム（別冊付録）

MTERE2 56（3）105〜272（2017）2017

http://www.jim.or.jp/journal/m/（←まてりあ記事オンライン）

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2017
Vol.56No.3

日本金属学会創立周年記念特集「材料科学の変遷と展望～社会からの要求に応えて～」
巻頭言「材料科学の変遷と展望～社会からの要求に応えて～」の発行にあたって
御手洗容子 ………………………………………………………………………………………………105

第分科(材料と社会)材料科学における「ゼロ」の意義 田中秀明 池田大亮 北村一浩 …………106
第 0 分科の設置とそれがもたらしたもの 黒田光太郎 …………………………107
材料技術に携わる科学技術者に求められる倫理と，それを備えた人材の育成 柴田 清 …………………………………………………………………………112
日本金属学会における男女共同参画の歩み 御手洗容子 ……………………116
文化財における微細構造研究の進展 北田正弘 ……………………………………121
古代上質鉄から発想を得た高耐食性 FeCr 合金 一色 実 ………………125
第分科(エネルギー材料)

エネルギー材料の果たす役割 大森俊洋 ………………………………………………129
エネルギー材料としての水素化物の研究開発
折茂慎一

中村優美子

石川和宏

西村

睦

亀川厚則 ……………………………………130

蓄電池材料の最近の展開 高村 仁 ………………………………………………………135
福島第一原子力発電所の廃止措置における材料技術の役割
鈴木俊一 …………………………………………………………………………………………………140

耐熱金属材料の最近の動向と今後の展望 竹山雅夫 ……………………………145
形状記憶合金に関する研究および開発の進展 貝沼亮介 ……………………151
第分科(エコマテリアル)

環境調和型材料技術の展望 池田賢一 竹田 修 ……………………………………156
レアメタルの環境・リサイクル技術の課題と展望 岡部 徹 ……………157
高温変形・クリープ・超塑性に関する今後の展望 佐藤英一 ……………161
ポーラス材料研究の進歩と展望 中嶋英雄 ……………………………………………166
高温融体物性研究の推移と展望 佐藤 讓 ……………………………………………170
水溶液腐食研究に関する課題と展望 武藤 泉 菅原 優 原 信義 ………175
表紙デザイン北野玲

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6
41 乃木坂ビル 3F
3475
5619 E
mailinfo＠jaacc.jp http://www.jaacc.jp/
FAX 03
複写以外の許諾（著作物の引用，転載，翻訳等）に関しては，直接本会へご連絡下さい．

第分科(電子・情報材料)

社会・産業からの要求に応える電子・情報材料を目指して
藤枝

俊

大塚

誠

村石信二

山室佐益

梅津理恵

大場洋次郎

寺西

亮 ……180

永久磁石材料の最近の研究 杉本 諭 ……………………………………………………181
軟磁性材料の開発動向と展望 吉沢克仁 ………………………………………………186
スピントロニクス材料の発展と展望 高梨弘毅 ……………………………………190
熱電力変換の新展開 宗藤伸治 ……………………………………………………………195
量子ビームを用いた永久磁石材料の評価分析 小野寛太 ……………………199
第分科(生体・福祉材料)

金属基生体材料の変遷と展望
小泉雄一郎

上田恭介

堤

祐介

石本卓也

大津直史

田中康弘 ……………………204

力学的生体適合性の立場からの生体材料の変遷と展望 新家光雄 ……205
表面機能の立場からの生体材料の変遷と展望 塙 隆夫 ……………………211
表面処理の立場からの生体・福祉材料の変遷と展望 成島尚之 …………215
生体組織再生の立場からの生体・福祉材料の変遷と展望
中野貴由 …………………………………………………………………………………………………220

生体適合性から見たインプラント材料の変遷と展望

山本玲子 …………225

第分科(社会基盤材料)

社会基盤材料のこれまでと将来展望
中村貴宏

和田

武

森戸春彦

佐藤和久

赤瀬善太郎 ……………………………………229

金属材料の水素脆化と今日の課題 秋山英二 ………………………………………230
第一原理計算に基づく材料研究の新展開 田中 功 ……………………………234
社会基盤を支える鉄鋼材料の進化 三田尾眞司 ……………………………………238
軽金属プロセス全般に関わる 3D プリンターの変遷と展望
岡根利光 …………………………………………………………………………………………………244

透過電子顕微鏡法の最新技術動向と将来展望(電子分光)武藤俊介 …………………………………………………………………………………………………249

透過電子顕微鏡法の最新技術動向と将来展望(超高分解能イメージング) 幾原雄一 ……………………………………………………………………………………254
本会記事

付録

会告 ………………………………………………260

会誌・欧文誌 3 号目次 …………………………266

共催行事 …………………………………………263

次号予告 …………………………………………267

支部行事 …………………………………………263

新入会員 …………………………………………269

掲示板 ……………………………………………264

行事カレンダー …………………………………270

2017年春期講演大会プログラム

別冊付録

会誌・欧文誌・まてりあの投稿規定・投稿の手引・執筆要領，入会申込書，刊行案内はホームページをご参照下さい．
http://jim.or.jp/

日本金属学会創立80周年記念特集「材料科学の変遷と展望～社会からの要求に応えて～」の発行にあたって
会報編集委員会委員長

社団法人日本金属学会(以後，金属学会)は 1937 年 2 月 14日に創設され， 2013 年 3 月 1 日には公益社団法人へ移行した．学術論文誌である「日本金属学会誌」や「 Materials
Transactions」の発行とともに，会報「まてりあ」を会員の情報交換や啓発・教育を目的として刊行している．
「まてり
あ」は会員に配布される会報として，学会の顔としての役割を果たし，創立 20 周年以後， 10 年ごとに， 10 年間の研究総括と将来展望を行う特集記事を発行している．本号は，創立80周年を記念して企画された特集号である．
この 10 年間，材料研究においてはこれまで以上に材料研
究に社会との関わりが求められ，材料研究者の意識も大きく変わってきたことを背景に，この特集号は，「材料の変遷と展望～社会からの要求に応えて～」と題し，本会に設置されている 6 つの分科( 0 材料と社会， 1 エネルギー材料，
2エコマテリアル，3電子・情報材料，4生体・福祉材
料， 5 社会基盤材料)からの解説記事で構成される． 1997
年に材料の社会的責任を検討する目的で設置された第分科
は，本特集号が初掲載である． 2016 年の分科会で，第 0 分科が各分科の横串としての機能をより充実させることになったことを受け，本特集号では，その設立経緯をはじめとし，
第 0 分科が担当する項目を解説した．第分科では東日本大震災により大きく変貌したエネルギー状況に対応する新規エネルギー創出やエネルギー効率向上に資する材料に関して解説した．第分科では，近年話題に上ったレアメタルやリサイクル，高温構造部材の設計や高温融体物性など環境に関わる材料技術について解説した．第分科では，この 10 年間での携帯型情報端末やハイブリッド・電気自動車の急速な普及に資する永久磁石，軟磁性，スピントロニクス，熱電変換材料の開発やこれらの評価技術について解説した．第分
科では，超高齢社会の到来や再生医療の進展を背景に重要性が増す生体材料について，力学・生物学的生体適合性，表面機能，表面処理，生体組織再生の立場から解説した．基礎，
応用，分析の 3 グループからなる第分科は，今後重要となる水素エネルギーに関わる材料の問題，計算科学，社会基
盤材料である鉄鋼材料，新規プロセスである 3D プリンタ
ー，ここ 10 年間の発展が目覚ましい透過電子顕微鏡法について解説した．
金属学会を取り巻く環境は，この 10 年間で大きな変化があり，金属分野そのものが激動の時代であった．まず，金属学会の会員数は 2007 年には約 7300 名(うち正会員 5600 名)であったが，2017年現在ではその 7 割程度の約5160名(うち正会員3800名)にまで減少している．その理由としては金属分

御手洗

容

子

野全体の研究者の減少と企業会員の減少が挙げられる．そのため，春秋大会の講演件数，参加者数も減少している．
金属学会では，この問題を解決するために，特に，学会の研究活動に連動する分科(セッション)の改革には力を入れてきた ．この 10 年間に 2 回 セッション 改変を行 っており ，2009 年に，各分科に「応用・萌芽領域」と「基礎物性・プ
ロセス領域」を設置， 2014 年には，分科の境界を無くし，学理・現象・プロセッシング別セッションと材料別セッションを設置した．
ところで， 2011 年は， 3 月 11 日に起きた東日本大震災により，仙台の金属学会事務局が多大な被害を受け，春期講演
大会開催予定地であった東京都市大学においても大規模余震や計画停電などが懸念されたことから，大会が中止になった
ことは記憶に新しい．また，福島原発事故によるその後の国
内の原発の停止は，日本のエネルギー状況を大きく変えることになり，材料研究にも影響を及ぼした．同年は沖縄での秋期大会の開催も危ぶまれたが，事務局をはじめとする関係各
位の多大なる努力により，これまで大学で開催していた講演大会をコンベンションセンターで開催したこと，複数のセッションをまとめた大くくりセッションとし，異なる分野の研究者が交流できるようにしたことなど，多くの新しい試みが行われ，その結果， 2003 年の北大での開催に次ぐ講演発表件数となった．他にも，大会講演概要の査読導入と DVD 化，
web システムを用いたプログラム編成効率化など，講演の質の確保と運営効率化を進めてきた．また，企業会員へのサービスの一環として， 2015 年春期大会より，学生に企業紹介を行う企業説明会が開催されている．
「まてりあ」でもこれらの活動に連動し，各賞受賞講演者の受賞研究紹介記事，「研究室紹介」や「企業紹介」などホットな研究・技術情報がわかる新規記事の掲載を開始し，金属材料に新しく取り組む会員のために，「入門講座」や「講義ノート」の更なる充実を行ってきた．まてりあ発行通知
メールへの掲載内容や行事案内掲載，まてりあ執筆要項の見直し，オンラインジ
ャーナルのカラー印刷化など，会員サービスの充実も図ってきた．「まてりあ」
をさらに興味深い会報とするために，プロムナード記事の充実などを次期委員会に引き継ぎたい．最後に，副委員長大塚誠先生をはじめとして，これまでの編集委員の皆様のご尽力に感謝を申し上げた
御手洗容子
い．

物質・材料研究機構 構造材料研究拠点副拠点長，耐熱材料設計グループグループリーダー(〒3050047 つくば市千現 121)
Preface to Special Issue ``Transitions and Future Perspectives of Materials Science ～Meeting the Social Demands～''; Yoko YamabeMitarai(Research Center for Structural Materials, High Temperature Materials Design Group, National Institute for Materials Science,
Tsukuba)
Keywords: innovative change, attractive journal, social demand, material science
2017年 1 月23日受理[doi:10.2320/materia.56.105]

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan

第 0 分科(材料と社会)材料科学における「ゼロ」の意義
田 中 秀 明 池 田 大 亮
 北 村 一 浩

当分科は 1992 年春に創設の「金属と社会研究会」を礎とし， 1994 年秋にそれが発展して「教育・環境・新領域」をテーマに成立した第 0 総合分科を経て， 1997 年に改組されて現在に至る．そして，当分科が現体制となって 20 年を経た此の度が，当会報創立記念特集号における初出ということになる．
エネルギー材料，エコマテリアル，電子・情報材料，生体・福祉材料，社会基盤材料といった具体的な材料分野(テーマ)を掲げた他の 5 分科とは異なり，第 0 分科のテーマである「材料と社会」は具体的な出口イメージが掴み辛い．当会が示す研究論文のカテゴリー分類をみても，第 1～5 分科の「物性」「組織」「力学特性」「材料化学」「材料プロセシン
グ」「工業材料」「環境」に対して，第 0 分科は「文化財・技術史」「教育」「技術移転」「知的所有権」「新分野・境界分
野」「マテリアルソフトエンジニアリング」「マテリアルイン
ターフェイス」等々を内容とする「教育・歴史・新領域」である．何やら“軸”が見出せず，産業化あるいは研究予算獲得にも縁遠く思われ，果たして『日本金属学会』が扱うべきテーマなのであろうか，というのが，多くの本会会員の正直な気持ちかと思われる．実際，当学会での関心は概して低い
ように思われ，講演大会での講演件数は他分科に遠く及ばず，各委員会での当分科担当の委員数も他分科と比べて少ない状況にある．
一方，時代の変遷とともに，特に 21 世紀に入って以後，
金属材料分野を巡る環境が大きく変わった．金属関連業界では大手・中小問わず，企業合併や海外進出(国内の空洞化)が盛んに進んでいる．国内の大学では「金属」を冠した学科がほぼ消滅し，体制を維持したまま「材料」「マテリアル」に名称が変わるのはまだ良い方で，多くは他学科と再編されてしまった．金属関連学協会の会員数も，少子高齢化や産業空洞化の影響からか，減少傾向が続いている．このままでは，
我が国で営々と培われた金属・材料技術そのものに加え，それを担う人材の育成システムまでもが廃れてしまい，将来的に先細りになることは必至である．このような状況に危機感を覚えた産学官界からの意向を反映して，材料科学を担う優秀な人材の育成・確保のための男女共同参画，技術流通，知的財産権の確保，科学技術者倫理の再認識，研究体制の在り方などについても当会で対応する必要が謳われ，第 0 分科への期待は高まりつつある．
ところで，先に第 1 ～ 5 分科があった中で，通常ならば「第 6 」となろうところに敢えて「第 0 」と付番した理由は何であろう．ゼロ概念の発祥とされるインドでは，ゼロとは一般に考えられる「何も無い状態」ではなく，「ゼロという状態がある」ことを指すらしい．転じて，この他に原点，起点・起源，(正と負の)境界も意味することは周知の通りである．つまり，第 0 分科の思想は，「社会情勢に影響されない
普遍・不変たるべき科学」「シーズの創造」「他の学術分野との境界領域」と位置付けられ，本特集のテーマにある語句を借りれば，「現在の材料開発の原点を顧み，また，将来に向けて研究活動や社会要求に適応する環境をゼロから構築する
ことで，材料科学の健全な発展を期する」といえるかも知れない．材料科学に限らずどの世界でも，創成・創出には例外無く無類の苦労を伴う．温故知新，原点回帰．難事に相対したときに基本に立ち返ることでブレークスルーを見出せるのは，よくある話である．当時の設立関係者が当分科に対して描いた夢が垣間見られる．
本特集号では，第 0 分科の設立経緯に続き，当分科を構成する柱のうち，倫理と人材育成，男女共同参画，文化財，
材料開発の温故知新についてご執筆いただいた．本特集が，金属材料科学が次なるステップを刻むための橋頭堡となることを期待する．

田中秀明

池田大亮

北村一浩

国立研究開発法人産業技術総合研究所 エネルギー・環境領域 電池技術研究部門 電池システム研究グループ主任研究員(〒 563 
8577 池田市緑丘 1831)
株式会社特殊金属エクセル 品質管理本部エキスパート(〒3550342 埼玉県比企郡ときがわ町大字玉川56)
愛知教育大学 教育学部 創造科学系 技術教育講座教授(〒4488542 刈谷市井ヶ谷町広沢 1)
Significance of Concept on ZERO in Material Science; Hideaki Tanaka, Daisuke Ikeda, Kazuhiro Kitamura(AIST Kansai,
Ikeda. Tokushu Kinzoku Excel Co., Ltd., Tokigawa, Hiki, Saitama. Aichi University of Education, Kariya)
Keywords: No. 0 technical division, cultural heritage, technography, human resource development, social community, ethics, intellectual
property right, gender equality
2016年11月18日受理[doi:10.2320/materia.56.106]



特

集

第 0 分科の設置とそれがもたらしたもの

黒

田

光太郎

「金属と社会」の第 1 回研究報告集会は，1992年の春期講

.

は じ

め

に

演大会最終日の 4 月 3 日に千葉工業大学で開催されている．講演は，河宮信郎(中京大教養部)による「地球史からみ日本金属学会に第 0 分科「教育・環境・新領域(後に「材財 地球環境産業技術研究機
た近代工業社会」と，和佐清孝(

料と社会」と改称)」が設置されて20年以上が経過した．現

構(RITE))による「地球環境保全と科学技術」であった(1)．

在，科学・技術と社会の課題を取り上げる分野が工学系や理

これ以降，表に示すように，春秋講演大会時に研究会を開

学系の学協会に設置されているが，そうした分野を設置する催している．そこでは，後に「第 0 総合分科」の主要なテに至った背景はそれぞれの学協会で異なった経緯がある．日本 金 属 学会 で の 第 0 分 科設 置 の 背景 を 現在 振 り 返る こ と

表1

は，学会の社会的活動を将来に渡って続けていく上でも有意義であると考えられる．

金属と社会研究会．

第 1 回研究会(92/4/2)

.

金属と社会研究会―第 0 分科設置以前―

環境と材料科学RITE

第 2 回研究会(92/10/8)

1991 年 12 月に分科会「研究グループ」の新規登録申し込

みとして，「金属と社会研究会」の設置申請書が提出されている．活動目的としては，「金属学と社会との関わりについて金属学研究者の立場から研究する．具体的には()環境問
題と材料科学(金属資源の利用形態，リサイクルシステムなど)，()金属学の歴史と展望(金属技術史，金属研究史など)，()金属学・材料科学教育のあり方(大学から見て，企業から見て，etc.)を柱として研究を行いたい．」と述べられ

参加38人

千葉工大

地球史からみた近代工業社会

中京大

河宮

和佐
参加21人
東北大

富山大

金属資源利用における静脈システム

徳田

日本におけるアルミニウム缶のリサイクルの現状
冶金技術と現状の材料科学
第 3 回研究会(93/4/2)

東大

横浜国大

エコマテリアルで何を訴えたいか

日軽金

二宮

増子
参加36人
金材研 古林

Materials for sustainable development
ロシア科学アカデミー無機化学研究所長

商社からみたリサイクル

平野清左衛門商店ている．世話人は小川恵一(横市大総合理学)，井野博満(東第 4 回研究会(93/10/18) 名古屋工大「材料と大学教育―その問題点と展望」

大工)の二人で，その他の発起人に徳田昌則(東北大選研)，

金属工学から材料工学へ

大塚和弘(筑波大物質工)，入戸野修(東工大)，佐久間健人

企業からみた材料工学

早大

大坂(東大工)，北田正弘(日立中研)，下斗米道夫(川鉄技研)，小NKK 大内講義「先端材料科学」の試み 横市大岩昌宏(京大工)，大島隆一郎(阪大基礎工)，沖憲典(九大総第 5 回研究会(94/4/1)

理工)が名を連ねている．登録期間として，1992年 1 月から外から見た大学教育

96 年 12 月までの 5 年間が挙げられていた．この研究会設置

工学専門教育と「一般教育の理念」 名大黒田

申請は，1992年の第693回理事会において承認された．

材料研究と社会状況の関連性

雀部

東工大

日立

Kuznetsov

平野

小川

参加34人

北田
千葉工大

九州産業大学基礎教育センター特任教授(〒8138503 福岡市東区松香台2
31)
Establishment of the Division of Zero (Materials and Society) and Its Achievement in The Japan Institute of Metals and Materials; Kotaro
Kuroda (Center for Fundamental Education, Kyushu Sangyo University, Fukuoka)
Keywords: materials and society, materials science and engineering, education, history, environment
2016年10月 5 日受理[doi:10.2320/materia.56.107]

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan

ーマになる環境問題と教育問題が主に取り上げられていた．
また，金属学から材料科学への変革の過程で遭遇する様々

環境負荷と適応性」が開かれる．新分野では「メゾスコピック材料」
が今秋に宿題シンポジウムとして取り上げられる．

な課題について研究・調査を行い，ビジョンを交換すること

提案者 4 名は1992年に発足した研究グループ「金属と社会」の発を目的として，「金属学教育の諸問題に関する研究・調査」

起人でもあるが，上記問題は一部の研究グループの課題とするには

財 池谷科学技術振興財団の助成を 1993 年 10 月
を企画して，

あまりにも大きく，金属学会として継続的・日常的に取り上げてゆに受けている．

くべき課題であると考えられる．上記の会報特集や宿題シンポジウ

後述するように，第 0 総合分科の試行が始まった最初のムも一時的なものに終わらせるのではなく，継続的な研究活動につ講演大会である九州大学における 1994 年秋期大会においなげてこそ意味がある．これらが講演大会の分科・セッションの新て，宿題テーマシンポジウム「材料の環境負荷と適応性」が設の所以である．ただし，従来の学会発表とは趣が異なる面もあ開催された(2) ．それとともに，大会後の 10 月 10 日から，大り，講演申し込みが定期的には集まりにくい．したがって，分科会

分県の湯布院町で合宿ワークショップ「金属学・材料科学を運営委員会として適切な企図や働きかけを行う必要があるものと考

どう教えどう学ぶか」が行われた(3)．このワークショップにえる．

先立って金属学会会報 7 月号で特集「金属学・材料科学をどう教えどう学ぶか｣(4)が組まれており，十分な準備を経てこの提案においてはセッション案も示されていて，「0A

合宿研究会は実施されている．このように金属と社会研究会

金属学・材料科学教育， 0B 材料の環境負荷評価とエコマ

は活発な活動を展開しており，分科会の中の新たな分野を新

テリアル， 0C 金属・材料に関連した新領域・諸問題」の設することも当時既に準備されていた．

「試行期間を置き，
3 つが挙げられている．設置に関しては，
軌道にのる見通しがついた時点で正式な分科として承認を戴.

第 0 分科会の設置

く．分科名もこの時点で正式なものとする．試行の開始は1994 年 7 月 12 ・ 13 日に開催された分科会運営委員会に計画された． 1994 年 10 月の理事会で，試行について承認さ「第 0 総合分科(仮称)設置の提案」が，沖憲典(第分科委れている．この当時は「物性，組織，力学特員長)，井野博満(第分科副委員長)，北田正弘(第分科幹性，材料化学，材料プロセシング，工業材料」

事)，入戸野修(運営副委員長)から「金属学会講演大会をさの 6 総合分科が存在していた．

1994年度後期からとし，1995春の大会での準備をする．」とらに実りあるものにするため，また，新分野・境界領域を積1995 年 1 月 12 日・ 13 日に開催された分科会運営委員会で極的に取り込むために，首記の新分科設置を提案する．」とは，講演発表は会員 1 名につき 1 件という規定になっていして，分科会運営委員長宛に提出されている．少し長くなるるが，第～総合分科への申し込み以外に第 0 総合分科

がその提案趣旨の全文を引用しておく．

に限り 1 件申し込めることが，分科を育てる意味から認められ，試行期間として当分の間様子を見ることになった．

提案趣旨

1996 年 1 月 11 日・ 12 日に開催された分科会運営委員会で金属学会の会員の多くは，金属学・材料科学の研究だけではな

は，宮崎亨運営副委員長から「試行期間として 2 年間活動

く，研究者・技術者の教育および金属・材料の社会における役割にしてきたが，当分科として定着してきており，正式に独自の大きな関心を抱いている．前者は大学はもちろんのこと，生涯教育分科として発足してはどうか」との提案があり，審議の結としてもこれから重要になる課題であり，後者の材料学と社会・環果，具申書を理事会に提案するに当たっての当面の課題，◯

境等との関わりは材料開発にとって避けては通れないテーマになっ 委員数をどうするか名称として第 0 総合分科でよいか，◯ている．この他，材料が高度の技術システムおよび社会システムのなどの対応策を，ワーキンググループを作って検討していく中で利用されることによる新たな課題が生まれつつある．これらをことになった．

学会の活動に積極的に取リ込むことが必要と思われ，新分科はこれらの受け皿になる．
金属学会の講演大会は，従来，金属学および関連の技術に関する

1996年 7 月10日に開催された分科会運営委員会では，「新分科(第 0 総合分科試行期仮称)正式設置の提案」がなされ，協議されている．正式分科としての提案は以下のような研究成果の発表と意見の交換が中心になっている．このことは，今ものである．

後も学会の最重要課題として変わらないが，学会が教育・環境・各(1)正式分科移行時期1997年度からとする．

種システムとの関連に関しても発表と討論の場として機能すること(2)分科会名称を第 0 総合分科とする．

や，新しい領域を積極的に取リ込むことは，会員の問題意識と合致( 3 )分科委員他分科と同一にする．分科会委員総数は 100することであり，かつ，金属学会としての社会的使命および更なる名で変えない．現在 1 分科 16 名で，新分科発足後は 14 名発展に寄与することと考える．

となる．運営委員も 4 名とする．

これらの問題について，教育に関しては会報1988年 7 月号の小特集「今，教育を考える」および本年 7 月号の「金属学・材料科学をどう教えどう学ぶか」が組まれ，環境に関しては本年の 5 月号に「エコマテリアル」が組まれ，今秋には宿題シンポジウム「材料の(4)分科委員選挙委員半数は選挙によるので，本年秋の選挙に新分科の枠を設ける．
(5)分科会の各種活動(シンポジウムなど)は従来分科に準ず
る．

特

集

(6)論文寄稿環境関連材料等の成果の論文誌への寄稿には待講演や，一般講演とは言いながら事前に発表を依頼した，問題無い．他の領域の成果も研究として価値があれば，審いわば企画セッションの割合が少なくなかったことは否めな査の上，掲載することを基本とする．審査委員には必要数

い．歴史的文化財の材料科学的解析，材料に起因する事故やその安全性問題，インターネットなどの IT 環境の利用なの新分科担当者を置く．
(7)表彰分科で枠を作っている賞には，論文賞と奨励賞がど，継続的な発表がある分野は中心となる人物の貢献によるある．これも新分科の枠を設ける．審査の上，該当するも

ところが大きく，属人的な展開が見られる．また，教育分野のがあれば表彰する．

ではこの時期に日本工学教育認定機構( Japan Accreditation(8)新分科正式発足による経費増大は最小限に抑えるよう考

Board for Engineering Education: JABEE)や大学評価への対

慮する．

応などの課題が始まり，全国大学材料関係教室協議会との連1997 年 1 月 14 日開催の分科会運営委員会で，上記の提案

携に基づいた企画も組まれてきた．環境分野に関しては，金( 1 )～( 8 )が審議され，新分科の正式設置が認められた．た属学会周辺でも 1980 年代には関心を持たれるようになってだし，(1)～(6)は認められたが，(3)の分科会委員数についいた．第 0 分科における環境分野と教育分野に関して，よては，「原則として他分科と同一にする」に修正され，第，り以前に遡って活動状況を見てみよう．

第総合分科の運営委員各 1 名増員は第 0 総合分科発足に.

伴い解消され，第 0 総合分科の一般講演の時間は他と同一

環境分野の活動(講演10分，討論 5 分)とすることになった．(7)表彰に関しては，発表数が少ない点で他分科と同等に扱うのは時期尚早

材料の環境負荷低減が重要な課題と考えられて， 1994 年と思われるので，当面は新分科の枠は設けないことになった．

の秋期大会で宿題シンポジウム「材料の環境負荷と適応性」
が開催された．技術の発展に果たす材料の役割が大きいこと

.

第 0 総合分科設置後の展開

は言うまでも無いが，同時に材料の環境への責任も大きいことが認識されるようになった．こうした認識が深まる過程を1994 年度から試行で始まった春・秋の講演大会での第 0金属学会の周辺で振り返ると，10年以上の経緯がある．

総合分科関連の分野ごとの発表件数を表に示す．なお，こ1981 年に末石と植田は会報に「社会金属学の提唱―金属の分野は当時のセッション名ではなく，筆者が内容によって利用の社会的評価に基づく金属リサイクルの考え方―」を発分類したものである．

表し，“社会金属学”が提唱された(5)．1983年に河宮は『エ発足当初多かった環境へ配慮した材料開発関連が 2001 年

ントロピーと工業社会の選択』を著し，熱力学と材料工学の以降激減したのは，分科会再編により，これらを中心的に扱視点から工業文明の技術的・理論的限界を明らかにした(6)．

う「第 2 分科エコマテリアル」を発展的に分離したこと

1984 年に は堂山， 山本編 『材料 テクノ ロジー 』の第 1 巻

による．分科会組織は，研究・開発の目標を明確化および学『未来社会と材料工学』が刊行され，巻頭で「近年，成長の術と工業の連携の密接化を目的として 2001 年に改編され，限界が説かれ，資源および環境の制約が強く意識されるよう「第 1 分科エネルギー材料，第 2 分科エコマテリアル，になった．われわれ材料科学・技術者は，この制約下に 21

第 3 分科電子・情報材料，第 4 分科生体・福祉材料，

世紀への道を切り開かねばならない．」と述べられている(7)．

第 5 分科社会基盤材料，第 0 分科教育・環境・新領域」

また堂山は 1988 年に会報で「材料科学工学と金属工学」をとなった．

著し，これからの材料科学工学ではプロセス，構造，性質，

当時， 1000 件を越える発表がある講演大会の中にあって性能の材料の 4 大基本に加えて環境を入れることを提案しは，第 0 分科の発表は極めて少数派であり，外部からの招た(8) ． 1990 年代になり「エコマテリアル」が提唱され(9) ，

表2

環境

金属学会講演大会における第 0 分科会関連講演数．

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

春

秋

春

春

秋

春

秋

春

秋

春

秋

春

秋

春

春

春

春

16

19

14

9

22

11

21

5

9

4

4

4

7

8

4

5

3

4

5

3
20

3

1

12

3

秋

IT 利用

3

秋

秋

秋

3

10

9

16

8

2

1

4

6

材料学史

1

1

4

3

2

2

5

1

1

1

1

3

1

3

3

5

1

6

7

4

1

6

1

3

3

3

3

5

5

3

4

4

3

2

5

4

6

4

3

事故リスク
その他

2

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan

2

3

3

教育

文化財

19

1

3

22

9

秋

3
8

3

2

6




1993 年度から科学技術振興調整費による研究プロジェクト

テリアルズサイエンスへ―」を発行して，その活動を終えてが始まり， 1994 年には会報で特集「エコマテリアル」が組いる．この間の経緯については森田善一郎の報告に詳しまれた(10)．

い(18)．

宿題テーマシンポジウム「材料の環境負荷と適応性」は，

.

こうした経緯を経て開催された．それに先立って，1994年 4その他の社会的活動

月と 7 月には支部研究集会も開かれた．秋期大会では 16 件の講演申し込みがあり，そのうち，古林英一「材料のエコマ

その他の第 0 分科の活動としては，表に示すような，テリアル化への課題」，中村崇・増子曻「人口資源のための会報の特集編集とともにシンポジウム(19)やセミナー(20)の開

メタルロンダリング」，友田陽「リサイクル指向型材料設計催も行われている．

と複合組織を利用した鉄鋼の力学特性予測」，山本良一「環JABEE の設立前から，日本鉄鋼協会に設置された作業部

境管理国際規格化と材料研究者の役割」の 4 件が基調講演

会に金属学会からも委員として参画して，「材料およびその

 材料環境負荷の分析とされた．その他の 12 件の講演は，

関連分野」の分野別基準を作成する活動を行い， 1999 年に

 有価金属回収の技術開発，
 リサイクル可能な材と各論，

JABEE が設立されてからは金属学会にも JABEE 委員会を

料設計，の 3 つに大別できるテーマであった．

設置して，審査への継続的協力を続けてきている．
2002 年に，日本物理学会，応用物理学会，日本化学会な.

教育分野の活動

どを中心に，理工学系の学協会 12 学会が集まり，男女共同参画学協会連絡会が発足し，金属学会でも男女共同参画活動

会報の 1994 年 7 月号において「金属学・材料科学をどうのためのワーキンググループ(後に検討委員会)が 2003 年 8

教えどう学ぶか」が特集されている．全体で 66 ページにわ

月の理事会で承認されて活動を始め，9 月には男女共同参画

たり， 29 編の論考が掲載されており，金属学会の中で教育学協会連絡会にオブザーバー会員として参加した．金属学会

問題に重点課題として取り組もうとする気迫が感じられる．

における男女共同参画の歩みについては，本号で御手洗によ「どう教えどう学ぶか」という教える側の一方通行でないタって報告されている(21)．

イトルは，当時としては斬新なものであった．「編集後記」

.

で井野博満が「本特集に何か感じるところがあった方は，

お

わ

り

に

『金属と社会研究会』が企画している『合宿ワークショップ』にも是非ご参加いただければと思います」と誘っているよう

第 0 総合分科が試行として始まった 1994 年頃は，全国のに，秋期大会の直後の10月10日から，2 泊 3 日の合宿ワーク

金属系学科の名称から金属や冶金が消え，材料が使われるよショップ「金属学・材料科学をどう教えどう学ぶか」が大分うになった時期でもあった．この時期に金属学会では，

県湯布院町において開催され，活発な議論が展開された．

Materials Science and Engineering のディシプリンは Metal-

この特集に遡る 5 年前の1989年には，会報で小特集「今，lurgy に依拠しているとの考え方が支配的で，それに基づく教育を考える」が組まれていた(11)．巻頭の「編集にあたっ

教育改革が行われており，教育に関しての議論が活発であって」において，小岩昌宏は「今，教育がかかえている問題はた．

種々様々である .大学，企業で活躍されている方々に，いろまた，分科会においては，各分科会の名称に関して，何をいろな視点からの意見，提言を述べていただいた．この小特研究しているのかが明瞭に分かるように，具体的な材料を入集が契機となって，教育に関する諸問題への関心が高まり，れた名称に変更する議論が行われていた．この時期，毎年 1

意見交換が行われ，改革への具体的努力が進むことを期待し

月の分科会運営委員会は泊まりがけで開催されており，正式た」と結んでいる．
教育 に関す る論 考は会 報に 何度も 掲載さ れて いる が，
1971年 8 月号から1972年11月号にかけて，「教育問題シリー

ズ 1 ～ 5 」として 6 編の論考が掲載された(12)(17) のが特集的

表3
会報特集

な企画の最初ではないかと思われる．当時活動していた「教金属学会における教育活動に憶う」に始まり，アメリカにお創出に対する学界の役割―」

ける金属学，材料科学教育，イギリスの工業教育が紹介さ2000年 9 月 小特集「金属・材料学の教科書とその周辺」

れ，最後に委員会による「金属系大学院教育に関する構想」
が掲載されている．

2003年 2 月 ミニ特集「工学教育の新潮流」
2003年10月 小特集「工学倫理・技術倫理を考える」「教育に関する委員会」は1982年に新たな体制の下で活動［大学教養部・学部教育］，第 3 分科会［大学院教育］を置
き， 1988 年秋に「おもしろいぞ材料は―時代は金属からマ

1998年 8 月 ミニ特集「歴史に学ぶ材料学のパース
ペクティブ」
1999年 9 月 ミニ特集「事故に学ぶ材料の安全学」
1999年11月 小特集「産学リエゾンの展開―新産業

育に関する委員会」の委員長であった佐野幸吉による「日本を再開し，第 1 分科会［大学入学前段階教育］，第 2 分科会

会報特集，シンポジウム，セミナー．

2004年11月 小特集「男女共同参画社会に向けて」
シンポジウム 1998年 7 月 廃棄物の再資源化
セミナー

2000年 1 月 材料の環境負荷をいかに減らすか

特集

な委員会の席だけではなく，深夜に及ぶ熱心な議論が 2 次
会，3 次会の席でも行われていた．このような議論では，当時の各分科の委員長らが忌憚無い意見を述べていた．彼らの多くは 1960 年頃に学生，院生であった 60 年安保世代で，社会的課題に対しての関心が強かったことは第 0 分科誕生の重要な背景であると考えられる．第 0 分科設立にかかわった委員でその後学会会長などの主要な役職に就いた者も少なくない．
最近の第 0 分科の講演件数は激減しているが，材料をはじめとする科学技術のリテラシーは 21 世紀を生きる市民にとって重要な教養となっている．特に材料は一般市民には見え に く いも の で ある か ら ，第 0 分科 で の活 動 は なか な か「業績」とは評価されにくいが，材料リテラシーを広めていくことは金属学会，特に第 0 分科の主要な使命であり，益々の活動が期待されている．

( 5 ) 末石富太郎，植田和弘日本金属学会会報，20(1981), 465
471.
( 6 ) 河宮信郎エントロピーと工業社会の選択，海鳴社，(1983).
( 7 ) 堂山昌男，山本良一編未来社会と材料工学，材料テクノロ
ジー第 1 巻，東大出版会，(1984).
( 8 ) 堂山昌男日本金属学会会報，27(1988), 47.
( 9 ) 山本良一編著エコマテリアルのすべて，日本実業出版社，(1994).
(10) まてりあ特集「エコマテリアル」33(1994), 509
588.
(11) 日本金属学会会報小特集「今教育を考える」28(1989), 554
588.
(12) 佐野幸吉日本金属学会会報，10(1971), 546548.
(13) 木村 宏日本金属学会会報，10(1971), 549552.
(14) 後藤公美日本金属学会会報，10(1971), 609618.
(15) 平野賢一日本金属学会会報，10(1971), 698705.
(16) 飯井政博日本金属学会会報，11(1972), 469474.
( 17 ) 日本金属学会教育に関する委員会日本金属学会会報， 11(1972)，739
743.
(18) 森田善一郎日本金属学会会報，28(1989), 556558.
(19) 分科会シンポジウム報告まてりあ，37(1998), 901.
(20) 会告まてりあ，(2000年前半の号)．
(21) 御手洗容子まてりあ，56(2017), 116120.

本稿をまとめるにあたっては日本金属学会事務局に過去の★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

理事会などの議事録や会報に掲載されている「会告」を調べていただいた．感謝申し上げる．学会の歴史を振りかえるには，諸会議の議事録や「会告」は重要な情報であるので，今後も事務局で記録を残し続けていただきたい．

文

献
黒田光太郎

( 1 ) 分科会報告日本金属学会会報，31(1992), 739.
( 2 ) 分 科 会 報 告  ま て り あ ， 33 ( 1994 ) , 1324  ま て り あ ， 34
(1995), 9192.
( 3 ) 会告まてりあ，33, No.7 (1994).
( 4 ) まてりあ特集「金属学・材料科学をどう教えどう学ぶか」33(1994), 547913.

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan1972年 九州大学工学部冶金学科卒業
1979年 九州大学大学院博士後期課程単位取得退学，工学博士 米国 Case Western Reserve 大学
客員助教授
1983年 名古屋大学助手，講師，助教授を経て 1997年教授
2010年 名古屋大学 3 月退職，名古屋大学名誉教授
同年 4 月より名城大学教授， 2014 年 10 月より九州産業大学特任教授
専門分野材料物理学，電子顕微鏡学，技術史，科学・技術と社会◎金属学会では第 0 分科会の設立時から分科会委員(幹事，副委員長，委員長)を務める．編著に『誇り高い技術者になろう―工学倫理ノススメ』(名古屋大学出版会， 2004 年)，『日本の技術革新大系』(国立科学博物館，2010年)など．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★



材料技術に携わる科学技術者に求められる
倫理と，それを備えた人材の育成
柴

田

清

理が必要とされたからに他ならない．

.

は じ

め

に

しかし，同時にこの時期，科学技術に対する信頼を揺るがす事件が多く発生していたことも無視できない．例えば，絶「技術倫理」，「技術者倫理」，あるいは「工学倫理」などの対安全といわれていた高速道路の高架橋の兵庫県南部地震に意味上の差異は無視できないが，本稿ではとりあえず厳密なよる崩壊や高速増殖炉「もんじゅ」のナトリウム漏れ事故な区別はせず，もっとも人口に膾炙されていると思われる「技ど原子力関連施設事故の隠蔽により技術者の言説に対する信術者倫理」として話を始める．また，科学と技術の出自には頼性が疑われ，東海村の JCO における臨界事故のような深大きな違いがあり，「科学」，「技術」，「科学技術」，「科学・刻な事態も発生した．また，オウム真理教のテロ活動に少な技術」といった表記方法にも敏感でなければならないが，とくない理系大学卒業者が加わっていたことから理系教育にもりあえず科学に基づく技術(「科学技術」)を含めた「技術」

批判が向けられた．一方で，チェスの世界王者にコンピューを対象に議論を進める．

タが勝利し，臓器移植法が成立し，遺伝子組み換え食品の安技術者倫理は多くの工学系教育プログラムに取り入れられ全性が議論になり，クローン動物が誕生するなど，技術の進ており，また関係学協会や企業などにおいても綱領が制定さ歩に期待するだけでなく，同時に不安を感じさせる面も注目れたり，委員会の設置が行われたりしている．本稿では，まされるようになってきた．これらの出来事は科学技術およびず技術倫理が求められるようになった背景を振り返り，そのそれを担う人材に対する信頼を失墜させるものであり，技術教育内容を確認した上で，材料技術の特徴に鑑み，材料技術者倫理導入はその批判に応えるという必然性もあった．

者に求められる倫理について考察したい．

.


なぜ技術者倫理教育か

導入経緯

古谷(1) は，Engineering Ethics と技術者倫理

我が国の技術者倫理教育は，アメリカ流の Engineering
Ethics の導入で始まっている．アメリカにおける Engineering Ethics の生い立ちについては，古谷の解説(3)が詳しい．

1983 年頃から東京大学工学部の共通講義「技そこでは，技術者個人が専門職業人(プロフェッショナル)と術論」の中で Mitcham の文献を参考に講義をはじめたのが，して果たすべき社会的責任が重視されているようである．社

我が国における最初の技術者倫理教育ではないかとしてい会との契約に基づき，専門家のみに許される行為が存在し，る．しかし，我が国において技術者倫理教育が工学教育の中そのような特権を有するが故に，特段の責任・倫理を負うべで広まり，多くの工学系学協会で倫理綱領が制定され，倫理きだとする．弁護士や医師などがモデルとして考えやすい委員会を設置したのは2000年前後である．

が，そもそも技術者たちが自らの倫理確立を言い出した背景

この背景には，ひとえに JABEE の認証基準(2)に「技術がには，専門職あるいは職能団体としての社会的地位向上を目

社会や自然に及ぼす影響や効果，及び技術者が社会に対して指したことがあるのは疑いない．契約概念を反映して，顧負っている責任に関する理解」と規定されたことがある．

客，雇用者，社会一般(公衆)への忠誠義務のジレンマに直面

JABEE の設立当時には国際的な技術者資格認証が重視され，した個人(ミクロレベル)のケーススタディが取り上げられる

ABET をはじめとする技術者教育認証の枠組みで技術者倫ことが多く，公衆の安全に尽くす英雄的技術者が称揚され

千葉工業大学社会システム科学部教授(〒2750016 習志野市津田沼 2
171)
Engineering Ethics Required for Materials Engineers; Kiyoshi Shibata(School of Social System Science, Chiba Institute of Technology,
Narashino)
Keywords: materials science and technology, ethics, social implication, education, liberal arts, technology assesment
2016年 3 月31日受理[doi:10.2320/materia.56.112]



特

集

る．他方，技術の社会実装に伴う影響の大きさから，技術をてネガティブな効果を生み得る科学・技術について是非判断

社会的実験とみなす考え方があり，今世紀になってからは個の原理的根拠が示される．

人としての責任だけでなく，社会(マクロレベル)における技

設計アプローチ技術上の非意図的な失敗を避けるための術の営み自身の倫理性を追求する流れもある．

努力が強調される．技術者の業務上のスキル向上，あるいは翻ってわが国の技術者の就業状況をみると，ほとんどの技

それでも防ぎきれない場合の様々なフェールセーフ的手段も術者は民間企業などの組織に属して業務に当たり，その指揮重視される．畑村の失敗学における事例研究やそれに基づくの下にある．また，集団としての活動が中心であり，その中組織運営を含めた学際的な予防策がしばしば取り上げられる．

での協調が強く求められる．個人として独立した判断行動が規制アプローチ技術者が知るべき規制基準や技術標準，できる技術者は非常に限られている．そのため，アメリカ流

およびその成り立ちが取り上げられる．品質管理，生産管の エ ン ジ ニ ア 個 人 の 倫 理 的 行 動 を 期 待 し た Engineering

理，労働安全などもカバーされる．製品安全(PL)，知的財

Ethics は我が国では成り立ちにくい．

産権などに加えて，企業の社会的責任( CSR )やビジネス倫



技術者倫理として何が教えられているか

我が国でこの分野の最初の本格的な教科書は，日本技術士

理が含まれることもある．内部告発(公益通報)も取り上げられる頻度が高い．
 STS アプローチ STS とは Science,

Technology

and会の訳編による Harris らの「科学技術者倫理の事例と考Society あるいは Science and Technology Studies の略であ察｣(4) であろう．その後， JABEE のプログラム認証に伴っり，日本語としては科学技術社会論とされる．科学技術の発て，夥しい数の教科書が出版されている．石原(5) は 2003 年

展に伴って生じる社会的問題を学際的立場から検討しようとに，藤木と杉原(6) は 2010 年にその当時における教科書のレするものであり，科学史，技術史，科学哲学に基づく科学・ビューを行い，欧米の動向を踏まえながら，我が国において技術者の行動解析，専門家と非専門家コミュニケーションや刊行された書籍の執筆者の属性による教育の方向性などを整

テクノロジーアセスメントをも含む科学技術政策が取り扱わ理している．

れる．

また， Shibata(7) は 2010年当時国内大学・高専におけるイ

また，そもそもの技術のもたらす問題としての水俣病や地

ンターネットで検索できる技術者倫理関連科目の講義シラバ

球温暖化など環境問題や資源枯渇などの問題自体を紹介する

スを調査し，取り上げられている技術倫理の構成要素を抽出ことも比較的多く行われている．なお，小林ら(8)もシラバス

し，それを図のようにマッピングした．すなわち，横軸がの調査から安全，倫理理論，科学技術論，技術者の地位を頻与えられる指針が実践的か理論的か，縦軸が倫理判断・行動

出キーワードとしている．上記の結果とやや異なるが，キーの主体が個人か組織か，という分類である．図中の丸の大き

ワードの括り方およびカウント法によると思われる．

さは，主観的ではあるが，それらの構成要素が取り上げられ一つの講義の中ですべての要素を満遍無く取り上げることは不可能である．上記のアプローチの組み合わせがあるのはている頻度を示している．
それぞれ，左上方向から時計回り方向に見ていくと，当然であるが，経験を積んだ技術者や主に教育研究機関で活倫理学アプローチジレンマに直面した場合の合理的な行動してきた工学者は設計や規制のアプローチをとり，倫理学

動規範を与えようとする．倫理判断原理として，アリストテなどの人文社会系の者は倫理学的アプローチをとる．

レスの徳目道徳やカントの義務論，ベンサムの功利主義など

なお，これらの科目の開講時期は 1 年次から 4 年次までの基本的倫理理論が取り上げられる．応用倫理学の対象とし様々であり，教養科目あるいは専門基礎科目との位置付けも図1

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan

技術倫理教育の要素と方向性．(Shibata(7)をもとに改編)まちまちであるが，その区別に対応した内容の差異があるよ

換は起こらない．優れた特性が実現されても，唯我独尊ではうには見えない．専門学習の動機付け効果に期待がある一

材料となり得ない．ある用途の機能を満たす材料が複数あ方，実務経験の無い学生の想像力に期待するのにはかなり無り，それらが競合状態にあると，材料は使用者側に選択され理がある．また逆に，技術にネガティブな印象を与えるとのる立場になり，特性・仕様を指定され，それを満足するよう危惧も聞かれる．

に供給する下請け的立場になりかねない．

我が国の技術者の業務環境を考えれば，技術者個人に倫理一つの材料技術のブレークスルーが社会全体の変革につな的行動を求めても効果は限定的であろう．それよりも，企業がることもある．しかし，利益や名声は材料にまで還元されなどの組織の倫理，さらには企業や技術者は顧客の要望が何にくく，余談だが，このことは学習者の意欲や志願者の確保より優先されるので，市場の倫理が技術者の倫理行動に影響の障害となっている可能性がある．

するはずである．柴田と八木(9)は「市場が倫理を求めれば，

ところで，技術者倫理で課題となる公衆に対する危害を引技術者倫理は自然に達成される．」と指摘したことがある．

き起こすのは，プラント事故などを除けば，最終消費財であ

一般人の消費者倫理(10) も重要である．さらに，今後先端的る．それら最終消費財の事故原因が材料にある場合もあるが，な科学技術が社会実装されていくとともに，従来からの価値

機構や設計のような材料以外であることもあり，他の構成材

観と衝突する事態が多く発生すると予想される．これらの意

料であることもある．しかし，材料に直接的な責任は無くて味で個人の倫理が主体となる技術者倫理ではなく，技術そのも，最終用途が消滅してしまえば，一蓮托生で材料としてのものの倫理を問うことに軸足を移した方がよい．

存在意義を失ってしまうこともあり得る．最終製品の使われまた，井野(11) は独立した科目ではなく通常の講義や研方にも注意を及ぼさなければならない．かつて新素材ブーム

究・教育活動の中でこのような題材を取り入れるべきだと主の折りに，開発着手時に想定した用途とは異なる実用化に至張している．あるいは，技術者倫理は全教育課程を通じて達った例を数多く見てきた．一つの材料にも多数の用途があり成されるべきであるとの考えに基づく実践も行われてい得るし，一つの組み立て製品に多種類の材料が用いられる．

る(12) ．教育の役割が，専門的技能に習熟させることより

そのため，材料技術者は材料使用者側との用途や必要とされも，将来的に遭遇する新たな問題へ対処するための知的な土る条件などについて踏み込んだコミュニケーションを成り立台作りであるとすれば，これらの取り組みは決して容易では

たせなければならず，一般的な技術者以上に幅広い技術に関ないものの，広く追求されるべき方法であろう．

する理解を要求される．しかし，このことは技術のシステム

さて，これらの科目が開講されておおよそ 10 年経過してを全体として把握する機会を持ちやすくなるメリットを材料いるが，その効果を議論するのは尚早であろう．ただ，技術技術がもつことに繋がり，社会実装に伴う諸問題に対する配にまつわる事故，偽装事件などが顕著に減少しているとは決慮を求められる技術者として優位性を持つことになり得る．

して言えないことを確認しておきたい．

.
.

材料技術における倫理

材料技術の特徴
前々節では我が国における技術倫理教育では科学技術の社

前節では，我が国における技術倫理教育一般にみられる傾会に及ぼす影響を重視すべきこと，また，前節では材料技術向を概観した．材料工学における倫理教育を考える上には，はそれに優位な立場にあることを指摘した．本節では，まと技術教育(工学)における材料工学の特質を踏まえておかなけ

めに代えて，どのような人材養成を目指した教育を行うべき

ればならない．

か検討したい．すでに黒田(13)は材料分野における教育・研

材料技術は我が国が国際的に研究，産業ともに強い分野と究の歴史的変遷を踏まえて，学協会の果たすべき役割についいわれる．材料技術の維持発展には継続的な資本の投下と研て議論しているが，本節では材料技術および材料技術者の役

究開発努力の継続が欠かせず，産官学の努力の賜物であろう．

割を中心的話題とする．

さて，他の工業製品と比べた場合，材料の特徴的なことは中間財であることである．さらに，単一の材料だけで最終財

専門知識・技能を確実にとなることは少なく，他の材料と組み合わされて最終財とな

まず，専門家としての倫理を果たすためには，当然のことる．技術はシステムであり，材料はシステムの構成要素であながらまず専門的職務を間違いなく遂行しなければならない．

るともいえる．あらゆる形のある工業製品には何らかの材料

機能の向上とともに品質の安定(不良品を出さないこと)も，が用いられており，材料技術はあらゆるモノづくりの基盤で材料技術にとって欠かせない倫理である．また，技術者の実あることに間違いはない．

務上のミスを防ぐ観点からは，失敗学のような視点も多く取一般に技術者が追求するのは Q(品質，すなわち機能とそり上げられている．さらに，技術者の倫理的配慮を不足させの安定性，環境適合性も含む)，C(コスト)，D (納期，供給る要因について，比屋根(14)が重要な視点を提供している．

の安定性も含む)と言われ，このことは材料技術についても例外ではない．しかし，使用されてこそ材料であり，使用さ

工学リベラルアーツ

れなければただの物質である．一般的に材料の置換は保守的

小林ら(15)は，米国オーリン・カレッジ(Franklin W. Olin

であり，数段の性能( QCD )の向上がないと新規材料への置

College of Engineering)の工学リベラルアーツ教育を紹介し



特

集

ている．従来の狭い「工学」では仕様の決定から設計，試作

くないと思われる．近年では研究倫理についての言説(17) もまで，つまり，記述された問題に対する解決策の提示がその多く発表されているので，ここではやや周辺的にはなるが，範囲であったのに対し，オーリン・カレッジでは仕様決定に

筆者の個人的見解の一端を示すにとどめたい．

先立つコンセプト作り，および試作後の製品の市場評価，つ研究不正行為の多くは，表面的には研究者の内輪のルール

まり，問題を認識するところから解決策を顧客に受け入れさ違反とも見られる．しかし，科学は無私な真理探究であるとせるところまで全体をエンジニアリングの対象としている．

する規範は過去のもので，現実には研究者は専門性に基づき起業家育成の観点から構想されたプログラムと思われるが，委託され，成果を委託元に提供する活動をするようになってビジネス教育と人文社会教育と工学の 3 つの側面の調和(オいる．このような変化の背景には，科学の研究成果に経済，ーリン・トライアングル)を目指しているとされる．このよ

産業，軍事などにおける実用上の価値が発見され，投資の対うな教育は，人々の欲求や社会の受容性まで配慮し，社会の象となってきたことがある．それ自体を否定的にとらえる必中における技術の位置付けを考えさせる契機になり得ると考要はないが，自省的に認識しておくことは必要だと考える．

えられる．イノベーションが生まれるのは狭義の工学からで研究プロジェクトの申請内容を見ると，無理に目的を誇張はないという理解に基づく教育ともとれるが，工学の社会的しているのではないかと思えるようなものもある．経済や産責任を果たすためにはこのような拡張は欠かせない．材料工業への貢献で自らの社会的存在意義を確認したいのは分かる

学は前述のように工学の広い分野を俯瞰できる目を養うにはが，文化としての社会貢献がもっと認められるようになって適しているはずである．

ほしい．出典を見出せないでいるが，ノーベル物理学賞を受

さらに，同時に第 2 節で触れた市場の倫理性を育てるため，賞した小柴昌俊はその研究成果がどのような役に立つのかと社会全体の技術に対する建設的な批判能力にも期待したい．

尋ねられた時に，全く役に立たないと答えたという．研究不小林(16) はオーリン・カレッジの工学リテラシー教育に関連

正行為や資源獲得のための実用価値の無理な主張は科学に対して，「工学が学士課程で教養科目として幅広い学生たちにする信頼を失墜させ，延いては理性や論理を軽視する風潮に教えられる学問になる可能性」を指摘している．自然科学がも繋がりかねない．

教養科目に取り上げられるように，技術に関する基礎知識体

文系が「教養としての工学」として成立することが望まれる．


科学・技術の不確実性に対する倫理

遺伝子操作，原子力利用，環境問題対策，情報通信技術の高度化など科学技術が社会にもたらす問題は，科学技術の知識だけで解決できるものではない．この種の問題は，「トランスサイエンス問題」といわれる．科学は価値中立であり，これらの価値判断に関わる問題には無力であると言えるかも知れないが，技術はその目的があることからして，価値とは切り離せない．その点では，ラベッツ( Ravetz )とフントビッチ(Funtowicz)による「ポスト・ノーマル・サイエンス」の考え方が，科学技術の社会実装に関する問題には相応しいと思える．科学技術の社会実装とそれが問題を引き起こすシ
ステムのメカニズムが明確に理解され，科学技術者側の利害への関与が薄ければ，科学的な思考による確定的な解決策が導かれやすい．しかし，地球環境・医療や経済現象に代表されるような複雑性の高い問題は社会への影響の仕方も不確実であるし，科学技術者も利害に深く関わる．このような領域
が「ポスト・ノーマル・サイエンス」と呼ばれ，不確実なことしか言えない領域ではすべてのステークホルダーが参画す( 1 ) 古谷圭一技術倫理研究，2(2005), 87
103.
( 2 ) 日本技術者教育認定機構
http: // www.jabee.org / accreditation / basis / accreditation _criteria_doc/(2016年 3 月23日参照)( 3 ) 古谷圭一大気環境学会誌，38(2003), A414.
( 4 ) C. E. Harris, M. S. Prichard and M. J. Robins日本技術士会編
「科学技術者倫理―その考え方と事例―」，丸善，(1998).
( 5 ) 石原孝二科学技術社会論研究，2(2003), 138147.
( 6 ) 藤木 篤，杉原桂太技術倫理研究，7(2010), 23
71.
( 7 ) K. Shibata: Proceedings for SEFI Annual Conference (2011),
Lisbon.
( 8 ) 小林幸人，札野 順，辻井洋行工学教育， 59 ( 2011 ) , 119 
123.
( 9 ) 柴田 清，八木晃一まてりあ，42(2003), 693695.
(10) 三宅 苞科学技術社会論研究，4(2006), 89
100.
(11) 井野博満まてりあ，42(2003), 721724.
( 12 ) 札野 順，西村秀雄，栃内文彦，金光秀和，本田康二郎平
成 18 年度工学・工業教育研究後援会講演論文集，( 2006 ) ,226227.
(13) 黒田光太郎まてりあ，42(2003), 717720.
(14) 比屋根均技術倫理研究，9(2012), 5178.
( 15 ) 小林信一，稲永由紀，大来雄二，玖野峰也，斉藤芳子工学
教育，60(2012), 1823.
(16) 小林信一EAJ News, 143(2011), 9.
( 17 ) たとえば，池内 了科学・技術と現代社会，みすず書房，(2014), 387436.

る意思決定が図られなければならない．科学技術者は自らの★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

アカウンタビリティのために社会的リテラシーを身に付けな1980 年ければならないし，非専門家が科学技術リテラシーを身に付けるのを助ける義務も出てくる．材料工学は俯瞰的立場から貢献しやすいのではないだろうか．



研究の倫理

本稿では技術に絞って話を進めてきたが，本学会では，日常的には技術開発よりも科学研究を意識している会員も少な

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan

献

柴田

清

東北大学大学院工学研究科材料化学専攻博
士前期課程修了
新日本製鉄，東北大学素材研，海上技術安全研究所などを経て 2007 年より千葉工業大学教授，博士(工学)
専門分野材料プロセス工学，環境工学，リスク科学，科学技術社会論◎鉄鋼・非鉄製錬および関連環境技術の研究開発に携わったのち，環境などの技術リスクにかかわる研究に従事する一方で，科学技術と社会の関係に関心を持ち続けている．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★



日本金属学会における男女共同参画の歩み
御手洗

容

子

1999 年に男女共同参画社会基本法が制定・施行され， 21の黒田光太郎先生を委員長として発足した．当時の金属学会

世紀の日本最重要課題と位置付けられた(1)．この法律の中では，学会の座長，分科会世話人，編集委員，理事，役員など

初めて「男女共同参画」という言葉が使われた．今さら言うへの女性の参加がなく，辛ろうじて，まてりあ編集委員に女までもないが，「男女が互いにその人権を尊重しつつもその性が加わり始めた程度であった(委員長深道和明東北大教

責任を分かち合い，性別に関わりなく，その個性と能力を十授)．第 1 期の WG メンバーは(当時所属，敬称略)，米永一

分に発揮できる社会」という意味である． 2000 年には，男郎(東北大)，後藤女の均等な雇用の機会と待遇の確保などを掲げた男女共同参

薫(東大)，山下孝子(川鉄技研)，楠美智子(ファインセラミ

画基本計画が決定され(2) ， 2001 年には内閣府に男女共同参ックスセンター)，八木晃一( NIMS )，吉原美和子(横浜国孝(東北大)，今野豊彦(大阪府大)，木村画局が設置された．このような国の動きを背景に， 2002 年大)，加賀山朋子(熊大)，御手洗容子( NIMS )であった．

には，日本物理学会，応用物理学会，日本化学会などを中心

2003 年 9 月には，その前年に結成された男女共同参画学協に，理工学系の 12 学協会が集まり，男女共同参画学協会連会連絡会にオブザーバー会員として参加申請し，当時の連絡絡会を発足させた(2016年現在，53学協会が参加)(3)．

会が行おうとしていた大型アンケートに参加した．その年

. 日本金属学会における男女共同参画活動のはじまり

かけたが，回答したのは271人だけであった．当時の会員数

日本金属学会(以下，金属学会)で男女共同参画活動が始まる ． また ，こ の 学会 期 間 中に ， 第 1 回の WG が 開催 さ れ

10 月に開催された秋期学会で大型アンケートの回答を呼びが 7000 人であったことを考えると，関心の低さが窺われったのは，このような社会の動きの中で，比較的早い 2003

た．ここで WG は終了し， 10月 12日(WG 開催翌日)から検年のことである．私が学会の男女共同参画に関わったきっか

討委員会として活動を行うことになった．

けは東北大の米永一郎先生からの 1 本の電話であった．先生は，所属されている東北大や応用物理学会での取り組みに.

シンポジウム開催

ついて説明され，金属学会でも男女共同参画活動のためのWG を作りたいと説明された．個人的なことになるが，当

男女共同参画活動を知ってもらうため，また学会内でこの時，私は 5 歳と 2 歳の子供を育児中で，子育てをしながら活動の理解を得るために，まず取り組んだのはシンポジウム

仕事をすることが許される社会を求めていたが，一方で，た開催による啓発活動であった． 2004 年 3 月の春期大会最終だでさえ育児で仕事の時間が取れない中，男女共同参画活動

日の午後，第 1 回の男女共同参画シンポジウムが「材料工をしていて良いのか，そもそも，学会で取り組む男女共同参学教育研究集会」として東工大の百周年記念館で開催され画活動とは何か，という不安を抱いた．しかし，当時物理学た．この時の講演は，「自然科学および科学技術系の学会・会で男女共同参画活動をしていた NIMS の友人から話を聞協会における男女共同参画への取り組み」小館香椎子先生

いていたこともあり，WG に参加することを決めた．

(日本女子大，男女共同参画学協会連絡会第 1 期委員長)，

WG は 2003 年 8 月に理事会で承認され，名古屋大(当時)「科学技術分野における女性研究者の能力発揮」都河明子先物質・材料研究機構 構造材料研究拠点副拠点長，耐熱材料設計グループ グループリーダー(〒3050047 つくば市千現 121)
Strides of Gender Equality in JIM; Yoko YamabeMitarai(Research Center for Structural Materials, Deputy Director, High Temperature
Material Design Group, National Institute for Materials Science, Tsukuba)
Keywords: gender equality, network, symposium, nursery
2016年 5 月26日受理[doi:10.2320/materia.56.116]



特

集

生(東京医歯大)，「企業における男女共同参画の取り組み」て，まてりあで小特集として紹介した(4) ． 2004 年春期大会

渡辺美代子氏(東芝)であった．当時，学協会連絡会で活発にで第 1 回シンポジウムを開催した後も，男女共同参画とい活動していた学会で活躍されていた方々である．小館先生にう概念を学会内で広げるため， 2004 年から 2008 年の間に 5は，自然科学分野で女性研究者が能力を発揮する重要性，学回のシンポジウムを開催している(表)．2004年秋には秋田会でそれを支援することの大切さについてお話をいただき，

大で第 2 回シンポジウムを開催し，第 1 回大型アンケート

金属学会での男女共同参画活動に大きなエールを送っていたの報告(米永)，金属学会の取り組み(御手洗)，物理分野でのだいた．初回ということで，興味半分，冷やかし半分の聴衆取り組み(松岡)，託児室に関する検討(米永)といった金属学が多かったように感じたが，会場がいっぱいになるくらい聴会内での取り組みを紹介した．第 3 回シンポジウムは 2005

衆が集まった．シンポジウムの内容については，大型アンケ

年 3 月，横浜国立大で「日本分子生物学会の取り組み」(東ートの解析結果や，日本物理学会(以下，物理学会)奈良女子

大・大坪久子先生)，名古屋大での取り組み(名古屋大・束村大(松岡)や東北大(米永)の取り組みに関する記事を追加し博子先生，当時男女共同参画室長)，物理学会における託児室運営(松岡)と他学会，大学での託児室の取り組みを紹介
し，学会内での託児室設置が必要であることを示し，この時表1年開催したシンポジウム．

講師(所属・当時)

2004年 小館香椎子(日本女子大)3月の理事会で託児室設置が承認された．

講演タイトル
自然科学および科学技術系の学会・協会における男女共同参画への取り組み

都河明子(東京医歯大)

科学技術分野における女性研
究者の能力発揮渡辺美代子(東芝)

企業における男女共同参画の
取り組み

.

大会期間中託児室設置

次に取り組んだのは，育児中の会員が講演大会に参加しやすい環境を作るための大会期間中の託児室設置であった．これは当時，男女共同参画活動を行っていた学会がまず取り組んでいたことであった． 2004 年秋期大会中に託児室に関す

男女共同参画に関する学協会
アンケート結果についてるシンポジウムを行い，他学会や大学での託児室設置や利用

御手洗容子(物材機構)

金属学会における男女共同参
画に関するアンケート報告

学会に参加したい，若い人の励ましになる)，反対派の意見

松岡由貴(奈良女子大)

物理分野における男女共同参
画への取り組みぜ子供が保育されなければならないのか，会場に子供など邪

米永一郎(東北大)

学会期間中の保育室設置に関する検討

2004年 今野豊彦(大阪府大)9月

2005年 大坪久子(東大)3月
束村博子(名古屋大)

松岡由貴(奈良女子大)2006年 田中龍彦委員長
9月
黒田光太郎委員長

世代を超えた連携が成功をもたらした例日本分子生物学会・年回保育室 ことはじめ
名古屋大学における育児支援の取り組み―学内保育所設置
活動を中心に―物理学会における託児室設置
および運営状況
日本鉄鋼協会男女共同参画準
備会活動紹介日本金属学会男女共同参画委
員会活動紹介株式会社神戸製鋼所 人事 神戸成功における男女共同参
労政部 松尾健志担当課長 画活動
日本アイ・ビー・エム株式 日本アイービーエムの取り組
会社 人事・組織 Yamato み―女性社員活用のためのプ
Lab テクニカル・バイタ ログラム
リティー 鈴木美登利課長
株式会社リコー 人事本部 リコーのジェンダーフリー推人材開発部国際人事グルー 進活動
プ 小谷美樹マネージャー
奈良女子大学 理学部物理 生涯にわたる女性研究者共助
科学科 松岡由貴
システムの構築2008年 日本アイ・ビー・エム株式 女性技術者育成の取り組み―
施策とコミュニティー
3 月 会社 板倉真由美氏
産総研

澤田美智子氏ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan

女性研究者育成における独法研究所の役割状況，託児室設置のノウハウ，賛成派の意見(子供がいても(学会として子供の面倒を見る必要があるか，大会会場でな魔なだけではないか)などが示され，託児室設置の意味を委員の中で明確化し，設置に伴う問題点の対応などについて議論した．他学会で託児室設置活動をしていた人たちからは，子育てをしながら研究・学会活動をすることへの学会会員の理解の低さが託児室設置のハードルになるため，設置の必要性や学会にとってのメリットについてしっかり示すようにア
ドバイスをされた．この頃，物理学会にも所属していた松岡先生(奈良女子大，現・金属学会男女共同参画委員会副委員長)に，検討委員会委員となっていただき物理学会での託児室設置について情報をいただいたのは大変心強かった．そんな中，第 0 分科から分科会活動へのお誘いがあり，分科会で大会期間中の託児室設置について理解を得るために引き受けた．
2005 年春期大会中の分科会で決死の覚悟で託児室の必要性を説いたが，予想に反して特に反対意見もなく，あっさりと承認された．大会での託児室，という概念に違和感を感じている委員はいたようだが，今の世の中はそういう動きなのだから認めざるを得ないというようなムードがあったように思う．その後に開催された理事会でも承認され， 2005 年，
広島大学で開催された秋期大会での第 1 回託児室設置に向けた準備が始まった．この時，物理学会での経験がある松岡先生からいただいたノウハウが大いに役立った．子連れで大会に参加するということが一体どういうことなのかを理解するために，まずは自分で利用することにした．私の他にもう

一人利用者がいたが，夫婦で大会に参加しており，当たり前いを開催し，企業，大学，独法での女性研究者・技術者の現のことながら，夫婦で大会活動に参加する場合には託児室は状などを情報収集・意見交換した．また， 2006 年秋期大会

大いに役に立つことに気がついた．託児室を利用した時，上では，金属学会，鉄鋼協会とで合同シンポジウムを開催しの子が 7 歳，下の子が 4 歳であった．子連れで大変だった

た．「男女共同参画の取り組み―魅力ある職場組織作り―」

ことは，余計にかかる交通費，宿泊費，夜の交流会に参加でと題して，鉄鋼協会男女共同参画準備会・田中委員長，金属きないこと，荷物が多いことなどを感じたが，それよりも，

学会男女共同参画委員会・黒田委員長，株式会社神戸製鋼所

出張中にも子供と一緒にいられる安心感というメリットの方

人事労政部担当課長松尾健志氏，日本アイ・ビー・エム株式が大きかった．大会会場内に子供がいるため，昼休みに子供

会社開発製造人事テクニカルバイタリティー課長・鈴木美登の様子を見に行くことができたのは私自身が安心できたし，利氏，株式会社リコー人事本部人材開発部国際人事グループ

子供も私の顔を見て安心して遊んでおり，また大変楽しかっ

マネージャー・小谷美樹氏，奈良女子大学・松岡由貴先生をたのか， 4 歳の下の子がしばらく覚えていて，「またあそこ

パネリストとして，パネルディスカッションを行った．

に行きたい」と言ったほどだ．利用してみて，託児室は育児2007 年 3 月 に 金 属 学 会 と 鉄 鋼 協 会 の 合 同 委 員 会 が 発 足中の研究者・エンジニアには大変ありがたい設備であると感し，共同で行えるような託児室の設置，イベント開催などはじた．関東開催の春期大会も合わせて私はこれまでに 3 回協力し合うことを決めた．また，早速，会員への情報発信の利用した．託児室の利用は図に示すように，それほど多くため，男女共同参画委員会の HP を作成し(5)，男女共同参画

ないし，増加もしていない．利用者が 0 の時もある．これに関わる意見交換のためのメーリングリスト(ML)を作成しは，育児人口が少ないこともあるし，子供を連れて来られる

た． ML ではあまり活発な情報交換ができなかったため，

年齢幅が小さいこともある．0, 1 歳児は，一人で歩けず，体2015 年秋から facebook を立ち上げた．(男女共同参画に関

調管理も難しいことから，連れて歩くことがそもそも難しい．

する情報交換グループ(金属学会・鉄鋼協会)，兵庫県立大・7 歳をすぎると小学校を休ませなければならず，利用がしに

三浦永理先生担当)．そこでは男女共同参画に関する記事なくくなる．そうすると， 3 ～ 6 歳くらいの間が最適利用期間

どを投稿して，活発に情報交換をしている．

となる．このような理由もあり，利用者数が 0 であることもあったが，それでも希望者が利用できるように託児室の設.

男女共同参画学協会連絡会

置は毎回行ってきた．申し込み期間中に申し込みが無い場合
は，託児室の設置はキャンセルされるため，費用は発生しな

始めに書いたように，男女共同参画学協会連絡会は 2002

い．年齢以外に利用しにくい理由があってはいけないため，

年に結成され，金属学会はオブザーバー学会として 2003 年

利用しやすい制度作りも行っている．これまで，託児室利用から参加している． 2003 年に参加学協会の会員を対象に大料金は 1 時間800円の個人負担であったため，利用金額を下型アンケートを行い，回答者数19291人という膨大なデータげる検討を行い， 2016 年秋の大会から， 1 日 1500 ～ 2000 円を集めた(6)．これにより，科学分野における女性研究者・技となっている．

術者の境遇，問題点を明確化し，女性研究者・技術者が抱える問題を解決するための提言を各政府機関に提出するなど活.

鉄鋼協会との連携

発な活動をし，これがその後の女性研究者支援のための振興調整費プロジェクトなどにつながっていく．金属学会は2006 年になると日本鉄鋼協会(以下，鉄鋼協会)でも男女

2003 年に開催された第 1 回シンポジウムから参加し，これ共同参画委員会準備会が発足する．東京理科大の田中龍彦先らの活動に賛同してきた． 2004 年第 2 回， 2006 年第 4 回シ生を委員長として， 2006 年春期大会では，女性研究者の集

ンポジウムでは WG 活動も行い，シンポジウムの企画を支えた． 2007 年には次世代の科学人口を増やすため，また，
女性が科学分野へ進学することを応援するため，女子高生を対象とした夏の学校を開催した(後に対象を中学生にも広げ，女子中高生夏の学校となった．）．2 泊 3 日で埼玉県の女性教育会館に宿泊し，理系分野に進学した女子大生と共に学会が提供する実験講座やポスター発表に参加したり，科学分
野で仕事をしている人のキャリア形成に関する講演を聴き，科学への興味を誘う企画である．金属学会も鉄鋼協会とともに参加し，ポスターを隣同士に並べ，鉄鋼協会は種類の異なる鋼を曲げさせることによって強度が違うことを体験させ，金属学会は，金属当てクイズ，形状記憶合金，熱電変換材料(東大・木村薫先生)の実験などを行った．それ以降，毎年夏の学校には参加している． 2008 年からは 2 時間程度の実験

図1



託児室利用人数の推移．

講座も担当し，金属の加工熱処理実験や低融点合金を用いた

特

集

表2
年

図2

男女共同参画委員会のロゴ．

メダル作りなどを行っている． 2015 年には生体材料の実験も加わり，関大・上田正人先生による Ti の陽極酸化，陽極
酸化後の Ti に吸着させたたんぱく質をたんぱく質検出キットで検出する，という新しい実験も加わった(7)．また関西で行われている同様のイベント，関西科学塾にも金属学会，鉄鋼協会は共に協力団体として加わっており，実験講座のサポートも行なっている．

.

合同委員会ロゴ作り

2009 年には，合同委員会のロゴを作成した． NIMS の大出真知子委員の配偶者である山崎壮氏(2012年ランチョンミ
ーティング講師)によるデザインで，男女で協力して社会を作っていくイメージである(図)．これ以降，合同委員会としてポスターやチラシを作成するときには，必ずこのロゴを使うようにしている．

.

ランチョンミーティング

2009 年春期大会から，ランチョンミーティングを開始した(表)．大会 3 日目のお昼休みを利用して，(男女問わず)
学生向けのキャリア紹介講演を行っている．先着 30 名に弁当を無料配布し，金属材料を勉強して様々な分野で仕事をしランチョンミーティングリスト．

講師(所属・当時)

講演タイトル2009 梅津理恵(東北大学多元物 大学における女性研究者
質科学研究所・助教)
山下孝子( JFE スチール株 企業における女性採用変遷とキ式会社 スチール研究所・ ャリア構築
主任研究員)

2010 宮島雅史(ボッシュ株式会 技術調査と技術移転の研究，ド社・テクニカルセンターマ イツのこころを分るための独語
ネージャー)
学習の毎日
齋 藤 規 子 ( 株 式 会 社 IHI 気負わず，あせらず，自分らし電力事業部 電力保守技術 く
部 課長)

2012 山崎 壮(アルプス電気株 研究者を伴侶にするということ
式会社)
芹沢 愛(大阪大学マテリ オークリッジ国立研究所にて―
アル生産科学専攻)
アメリカ流研究スタイル，異文化に触れて2013 金子美智代(トヨタ自動車 解析に魅せられて株式会社)
久布白圭司(株式会社 IHI) 我が家の食卓～妻の好物は，焼き豚♪～

2014 Michele Manuel, Univ. of
FloridaCurrent situation of female
researchers in USA

吉原美知子(横浜国立大学) 第 3 回 男 女共 同 参画 大型 アン
ケート報告

2015 宮下直子(エイチ・シー・ Strength as being a Female
スタルク株式会社)
Workforce in Technical Field
Personal Point of View
Qizhen Li(Washington State Women Scientists and Engineers
University)
in USA
2016 中田英子(旭硝子株式会社 出産が仕事に与えた advantage
生産技術センター)～冶金を軸に金属の外を歩く～ている人達に仕事や家庭との両立について講演をして頂いている． TMS の Young Leader にアメリカの女性研究者の状況を講演してもらったこともあり，この時は外国人学生も参ットワークを形成することにより，女性会員が金属材料の分加して，ちょっとした国際会議のような雰囲気となった．こ野で活躍し，学会でも活発に活動していければと思う．

れまで 2 人の講演者にお願いしていたが，十分な議論ができないため， 2016 年春のランチョンミーティングでは講演.

役職比率調査者を 1 人にし，その後に質疑の時間を長めに設けた．ラン
チョンミーティング終了後にも何人かの参加者が残り，講演

男女共同参画活動を始めた 2003 年頃，金属学会の主要な者としばらく話をしていたため，このような交流が若い世代

役職には女性がほとんどいなかった．その後，男女共同参画の会員を励ましてくれることを実感した．

学協会連絡会の調査もあり，2 年に 1 回，役職比率調査を行っている．理事や委員会の委員長などの役職にどのくらい女.

女性会員のネットワーク作り

性が就いているかという調査である．図に主要な役職の変遷を示す． 2005 年には，男女共同参画委員会委員以外はほ2011 年秋からは，お昼休みを利用した女性会員の集いをと ん ど女 性 が おら ず ，特 に ， 代議 員 ， 理事 は 0 人 で あ っ

開催している．こちらは，参加者が自分で昼食を持参し，そた．まず，まてりあの女性編集委員が増え，会誌・欧文誌編

れを食べながら交流するというものだ．特に話題は決めず，集委員にも数人いたが， 2015 年の段階では 0 人になってい集まったメンバーが自己紹介をして，気ままに話をしたり，る．一方，代議員は増加しており， 2015 年は 3 人，それに時にはある話題について議論したりする．ランチョンミーテ

対応して理事は 2013 年から 1 人になっている．この調査でィングもつどいも昼休みという時間制限があり，昼前後に自は調べられていないが，委員会委員長は，私の記憶では，男分の発表や座長があると慌ただしく，ゆっくり話ができな

女共同参画委員会(現・東北大・梅津理恵)以外にはおらず，い．そこで 2014 年から，春期大会時には，インフォーマル2015 年からまてりあ編集委員会の委員長にいる程度であ交流会も行っている．このような活動を通じて女性会員のネる．この他に，女性の活躍度を示す指標として座長やシンポ

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan掲載している． 2017 年秋には，委員会発足 10 周年記念のシンポジウムを開催予定である．

文

図3

役職に占める女性の人数．

献( 1 ) http://www.gender.go.jp/about_danjo/law /kihon/9906kihonhou.
html( 2 ) http://www.gender.go.jp/about_danjo/basic_plans/( 3 ) http://www.djrenrakukai.org/index.html( 4 ) 小特集「男女共同参画社会に向けて」まてりあ， 43 ( 2004 ) ,895930.
( 5 ) https://www.isij.or.jp/godo/isijjim/( 6 ) http://www.djrenrakukai.org/2003enquete/index.html( 7 ) 上田正人「女子中高生夏の学校2015」，まてりあ，54(2015),
574.
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
専門分野耐熱材料の開発◎現在耐熱 Ti 合金，高温形状記憶合金の開発を行っている． NIMS でも男女共同参画チームチーム長
として振興調整費「女性研究者支援モデル育成事業」プロジェクトに携わった．その後， NIMS の男女共同参画デザイン室アドバイザーとしてNIMS 内の制度改革や男女共同参画活動を行った．

ジウムの企画者としてどのくらい女性が活躍しているか，というような調査も行っている．


.

終

わ

り

に

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

様々な活動を行ってきたが，最近は，委員会活動を紹介す

御手洗容子

るために，「まてりあ」と「ふぇらむ」に委員会活動報告を



特

集

文化財における微細構造研究の進展

北

田

正

,
弘


復をするためには種々の技術が要求されるが，材料の微細構

.

は じ

め

に

造を把握することは基本的な課題である．文化財の微細構造を調べる場合に問題となるのは，材質と加工履歴などの多く

文化財は民族の大切な財産であり，わが国では現在の新潟が不明なことで，手探りの研究となる．また，文化財の多く県を中心に発掘されている約 5000 年前の火焔土器などが美は破壊できないので試料の採取が難しく，得られるデーター

術価値のある最初の遺物であろう．絵画を例にとると，本格が断片的であるため系統的なデーターの蓄積が困難である．

的な絵は高松塚古墳の壁画(約 1300 年前)からで，それ以修復などのニーズの多くは文化財が損傷あるいは劣化して降，世界に誇る美術品や建築物などが生み出されている．文から生ずることが多いが，劣化する前に基礎的データーを蓄化財に対する社会的要求は時代とともに変わっているが，現積し，将来のニーズを先取りする研究も必要である．たとえ在のわが国の場合，民族の歴史的な知的財産の保存，文化財

ば，古墳などの発掘前には，どのようなものが発見されたらの知的情報の活用，歴史的観光資源として地域の再生と発展

どのように保存するかの予測と対策，7080年で変質が顕著に利用する，などである．また，文化財の保存・修復はものになる油絵などの劣化防止と修復技術などである．

づくりではないが，ものを長生きさせる技術である．
文化財には無形と有形のものがあり，無形文化財では映像および音声記録，コンピューターによるディジタル化などでここで主題とする文化財の微細構造に関する研究は世界的にみて極めて少なく，本稿では筆者らの研究(3)を中心に最近の観察・分析で得られた進展のいくつかを述べる．

科学技術が寄与できる．材料科学的研究が直接寄与できるのは有形文化財で，物質・材料が主体をなすものである．たと.

走査電子顕微鏡観察

えば，木簡や鉄器類は発掘されたままではすぐに腐食し，財産価値が低下する．このような文化財を原形のまま末永く残観察法・分析装置・解析法はすでに材料科学で十分な実績

す技術が必要とされ，ここに材料科学の果す役割がある．筆があり，それを文化財分野で有効に利用することである．走者が研究している高松塚古墳壁画の劣化と損傷に関する研究

査電子顕微鏡(Scanning electron microscope: SEM)とそれにはその一例(1)(2)で，物理・化学的な状態の変化を最小限にす

附属する分析機器の進歩は文化財の観察にも大きな利点をもるのに必要な保存環境と修復技術を開発することにある．

たらした．数 10 年前は高真空下の観察だったが，低真空と文
文化財に関する材料科学的研究の目的を大別すると，

低電圧技術などが進み，絶縁物の多い文化財には大きな力と 材料の組化財を構成する物質あるいは材料の成分を知る，なっている．たとえば，顔料，やきもの，繊維，刀の中にあ織・構造および技法などを明らかにして文化財の保存と修復

る非金属介在物などは絶縁体であるため，高真空ではチャー その材料が何故使われたかに必要な基礎データーを得る，

ジアップの影響で像が乱れて微細構造の観察が難しく，炭素という材料文化および科学史的意味の解明，である．これら膜や金属膜で被覆する必要があった．現在は被覆なしでチャには産地と時代の同定なども含まれている．適切な保存や修ージアップの少ない良好な像が得られる．エネルギー分散奈良文化財研究所客員研究員(〒6308577 奈良市佐紀町247
1)
東京藝術大学名誉教授
Progress of Microstructure Research for Cultural Properties; Kitada Masahiro(Center of Archaeological Operation, Nara National
Research Institute for Cultural Properties, Nara. Professor Emeritus, Tokyo University of the Arts, Tokyo)
Keywords: Takamatsuzuka, mold, Japanese sword, nonmetallic inclusion, bronze, Imari ware, oil paint, pigment
2016年 7 月 7 日受理[doi:10.2320/materia.56.121]

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan

X 線分光法(Energy dispersive Xray spectroscopy: EDS あ

日本刀に含まれる非金属介在物は比較的少量(現代鋼に比るいは EDX)では局部的な成分の解析が可能となり，また，

較すると著しく多量)であるため，X 線回折で結晶構造を求元素分布像(元素マップ)も従来に比較して分解能が高くなめるのは難しい．もちろん，透過電子顕微鏡(Transmission

り，微細で複雑な組織の観察と解析が容易になった． EDS

electron microscope: TEM)による電子線回折はできるが，による微小領域の分析は複雑な構造をもつ文化財に非常に有電子後方散乱回折像では，参照する鉱物等の回折データーが効である．特に，金属文化財には製錬時に混入した介在物があれば，EBSP によって像として解析ができる．図は日本多数存在する．このため，化学分析，放射化分析， X 線分

刀の鋼中にみられる非金属介在物の分析例で，(a)はイルメ

析では介在物を含めた分析になり，地の金属領域の純度を知ナイト(FeTiO3)，(b )はファヤライト(Fe2SiO4)の EBSP 像

ることが難しい． EDS では，地と介在物領域を分けて分析である．イルメナイト粒子の一部は樹枝状晶となっている．

できるので，それぞれの評価ができる．最近では，数 nm の

非金属介在物は多成分であるため融点が低く，鍛錬する高温分解能で EDS が可能になっており，将来，さらに分析感度

では液体になっているものが多い．ファヤライトはイルメナ

が高くなれば，素材の産地同定なども含めて精度が向上する

イトの間に晶出しているので，イルメナイトが初晶である．

であろう．ただし，試料の状態はさまざまなので，観察・分また，(c)は(a)と(b)を重ね合わせた像で，暗い地はアモル

析に適した試料の調製技術の開発も必要で，これが結果を左

ファスのガラスである(9)．

右する場合もある．
文化財の表面に生えた黴(かび)などの像では，金属薄膜で被覆しなくても低電圧・低真空条件で明瞭に得られるように同じ方法で，紀元前の鉄遺物の中に Fe2O3 粒子が存在することが明らかになり，原料として粉末の赤鉄鉱(Fe2O3)が使われたことが推定されている(10)．

なった．高松塚古墳壁画では黴の発生による絵の劣化が顕著

. 3 次元 SEM像であった．図は高松塚古墳壁画の漆喰部に生じた黒黴のSEM 像である．明るい領域は地の漆喰(主成分は CaCO3 )で，その上の糸状の暗い像が黴である．太さが数 mm の菌糸

イオンエッチングとエネルギー分散 X 線分光法を繰り返が漆喰の粒界に添って成長し，微細な菌糸の集団もみられして 3 次元像を得る方法は既に材料研究に利用されている

る．この細長い菌糸が特徴の黴は好湿性(相対湿度95以上

が，金属中の非金属介在物などの立体的分布を得るのに有効で生育)の黴である Cladsporium と推定されるが，このほかである．たとえば，たたら鉄で作った日本刀の中の非金属介に形態の異なる黴なども観察される．黴の除去は薬品による在物粒子の成分は同一ではない．また，加工された場合には化学処理が中心であるが，その副作用，たとえば，アルコー

ひとつの介在物が破壊されて分離することもある．図に加ルは濃度が低くなると黴の餌になる，などの問題があり，将工された日本刀の鋼中の非金属介在物の 3 次元分布の測定

来，物理的な手法の開発も必要と思われる．高松塚古墳の微の像は刀の長さ方向に垂直な断面の非金属例を示す(11)． 0 °細構造観察については筆者らの研究があり，文献(4)(8) を参介在物の分布と成分元素を示している．断面から30°および照されたい．これらの観察には試料の破壊が必要なので国宝傾けた非金属介在物の形状から明らかなように，介在物
60°

指定外の試料を用い，倫理的検討を経て進めているが，将来は鍛造によって扁平になっている．左の非金属介在物は Ti

は非破壊である程度の微細構造までを観察する技術の開発がに富み，中央の非金属介在物は Si に富み，右の介在物ではCa に富んでいる．また，それぞれの非金属介在物は分離し望まれる．

ており，加工による変形の過程も観察できる．これに上述の.

電子線後方散乱回折による結晶の同定

EBSP 法を併用すれば，さらに情報量が増える．

.

最近発展している電子線後方散乱回折(Electron backscattering diffraction pattern: EBSP または EBSD)は文化財の結晶性組織の解析に有効である．日本刀は刃先を焼入れるので

透過電子顕微鏡観察

金属文化財の例

棟に向かってパーライト組織になっているが，マルテンサイ

青銅時代から鉄器時代への変遷において，銅に続き鉄がどトおよび微細なパーライト組織の粒径や内部構造を把握できのように還元されたかは謎が多い．紀元前 16 世紀頃と推定るようになった．図は鎌倉時代後期に作られた日本刀(包されるルリスタン(古代ペルシャの一地方で，現在のイラン

永銘)の断面における EBSP 像の例で，( a )の刃先の組織で南西部の山岳地帯)から出土した銅剣は永久磁石を近づける

は，マルテンサイト領域の旧オーステナイトの粒径，ブロッと僅かに感応し，磁化測定によれば強磁性体を含む． TEM

ク，混在する微細なパーライト組織の粒子(矢印)などが観察

で 調べ る と， 図 で 示す よ うに 数 10 nm の 微粒 子が 存 在され，(b)では焼入れされた刃の直上の微細パーライト組織

し，これを解析した結果， Fe 粒子であった(12) ． Fe 粒子はの粒子の大きさが明瞭にわかる(9)．筆者が観察した日本刀の銅が製錬されたとき，鉱石(たとえば黄銅鉱 CuFeS2)に含刃鉄(はがね)部に使われている炭素鋼の結晶粒径の小さいもまれている Fe も微量だが還元されたことを示す．青銅時代のは 15 mm 以下，最も小さいものは 1 2 mm で，手造りのから鉄の時代に移るとき，どのような製錬技術の変化があっ技術の高さが伺われる．

たかは解明されていないが，銅の中に Fe 粒子が見出される



特

集

図1

図5

古代ペルシャの銅剣中に観察された鉄微粒子の透過電子顕微鏡像(13)．

図6

伊万里焼(a )の赤顔料( b )と金彩部( c )の透過電子顕微鏡像(19)．

図7

1921 年に描かれた油絵( a )と空の青色部の透過電子顕微鏡像(b)．a は MgCoSnO4，b は CoAl2O4，
c は鉛白，d はZnO(北田正弘)．

高松塚古墳壁画の漆喰上に生じた黴の走査電子顕微鏡像(北田正弘)．

図2

日本刀(包永銘)組織の電子線後方散乱回折像，(a)刃先から 0.25 mm 位置のマルテンサイトで矢印 は 微 細 な パ ー ラ イ ト 領 域 ， ( b )は 刃 先 か ら 5mm 位置のパーライト領域の結晶粒組織(10)．

図3

日本刀にみられる非金属介在物の電子線後方散乱
回折像，(a) FeTiO3 像，(b) Fe2SiO4 像，( c)(a)と(b)を重ねた像(10)．

日本刀中の非金属介在物の SEM 観察について述べたが，
日 本 刀(9)(15) ， 槍(3) ， 古 代 刀(3) ， 西 洋 刀(3) ， 東 南 ア ジ ア
刀(3) ，火縄銃(16) などの SEM および TEM による微細構造
も筆者らによって研究されている．



陶磁器の例

陶磁器の釉薬は高温で陶磁器表面部に焼き付けるが，先ず，素焼きの上に顔料で絵を描き，その後，顔料の上に透明な釉薬(うわぐすり)をかける場合と，釉薬上に絵を描く場合
図4加工された日本刀の鋼中の非金属介在物の Si(黄)，Al (緑)， Ca (青)および Ti (赤)の立体的分布と観察角度依存性(11)．

がある．顔料は金属酸化物であるが，雰囲気(酸化あるいは還元)によって異なる酸化物あるいは化学量論組成の異なる化合物になることが多く，これによって色も変化する．顔料の状態については不明な点が多かったが，TEM での観察により，微細構造が明らかにされつつある．観察には試料の破ことは，銅の製錬技術が発展して鉄の精錬が可能になった証

壊による薄膜化が必要であるが，イオンエッチングおよびフ

拠の一つではないかと推定される．青銅器についても筆者らォーカスド・イオンビーム法の進歩で観察が容易になった．

の微細構造研究がある(13)(14)．

塗布した顔料が溶解したのち再析出する場合，ガラス地から

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japanナノスケールのアモルファス微粒子が析出する(17) などの新修復などが可能となる．文化財の保全と修復のために，この現象が見つかっている．図( a )は元禄金襴手などと呼ばれ分野の今後の発展が望まれる．微細構造研究ではないが，こている江戸時代中期の伊万里焼(筆者蔵)で，赤および桃色のほかに SPring 8，中性子施設などを使った研究なども進(花部)の顔料と金彩(葉部)が施されている．(b)は金彩部のめられている．

TEM 像で，上端の暗い線状部分が塗られた Au で，下部の終わりに，微細構造の観察にご協力戴いた方々に感謝する．

100 nm 以下の暗い粒子は Fe2O3 ，大きめの白い粒子はアルミノ珪酸塩などである(18) ． Fe2O3 粒子は柿右衛門様式およ文

献び古九谷様式の磁器に使われている赤顔料と同様な大きさである(19) ．( c )は金彩部近くの釉薬中の Au 粒子の TEM 像
で，左の領域に 23 nm の Au 粒子，右の領域には 10 nm 前
後の Au 粒子が存在する．塗布された Au 粉の一部はガラス
釉薬中に溶解し，再析出して微細な粒子となっている．


有機物中の化合物の例

布類の染色に金属化合物の色を利用する染色では，橙黄色のクロム酸鉛( PbCrO4 )が代表例で， 19 世紀の唐桟(とうざん)と呼ばれる縞織物で使われていた(20)．カーキ色の染色でも Fe を含む化合物が使われていた．また，木版本(鼓銅図碌)の版画(21) および浮世絵(22) の顔料ついても筆者らの研究がある．
世界的にみて，絵画は修復の必要な文化財の多くを占める
が，絵具に含まれる顔料は時代によって変わり，微細構造は明かにされていない．図は筆者の油絵の研究の一例で，(a)は1921年に描かれた油画(筆者蔵)，(b)は(a)の空の青色部の TEM 像である． EDS と電子線回折により，青色顔料として CoAl2O4 と MgCoSnO4 微粒子が検出され，青色を薄め る た め に ， 白 色 の 鉛 白 { 2PbCO3 ・ Pb ( OH )2 } と 亜 鉛 白(ZnO)が混合されている．鉛白は毒性を示すため，現在は酸化チタン( TiO2 )に替わっている．油絵具についても筆者らの研究があり(23)(24)，有機物質を含む複合材料の微細構造についても明かにされつつある．
このほかの文化財の物質・材料の微細構造についても筆者の著書(10) で紹介しているので，興味のある方は参照された
い．また，保存環境については文化財の状態と熱力学的な解
析および保存の方法論も必要である(25)．

.

あ と

が

き

文化財の微細構造の研究はまだ緒についたばかりで，世界的に研究例は非常に少ないが，微細構造が明らかにされることで，文化財の保存法の開発，元の素材に近い材料を使った

( 1 ) 高松塚古墳壁画原因調査委員会高松塚古墳壁画原因調査報
告書，文化庁(2010.3.24), 1421.
( 2 ) 永井順國，北田正弘，三輪嘉六，関義清月刊文化財 第 563号(2010), 411.
( 3 ) KITADA, Masahiro: Bulletin of the Faculty of Fine Arts,
Tokyo University of the Arts (2013), 3750.
( 4 ) 北田正弘，高妻洋成，建石徹日本金属学会誌， 79 ( 2015 ) ,6470.
( 5 ) 北田正弘，高妻洋成，建石徹日本金属学会誌， 79 ( 2015 ) ,7175.
( 6 ) 北田正弘，高妻洋成，建石徹日本金属学会誌， 79 ( 2015 ) ,404412.
( 7 ) 北田正弘，高妻洋成，建石徹日本金属学会誌， 79 ( 2016 ) ,326333.
( 8 ) 北田正弘，奥山誠義，柳田明進奈良県立橿原考古学研究所
紀要，第38冊，(2015), 13
18，奈良県立橿原考古学研究所彙
報・青陵，No.146(2016), 4
8.
( 9 ) 北田正弘日本刀の材料科学，雄山閣，印刷中．
(10) M. Kitada: Beauty of Arts from Material Science, Uchida
roukakuho, (2013), 133.
(11) H. Matsushima, M. Kitada, N. Mori and G. Brunetti: Proceedings of 18th International Microscopy Congress, Prague(2014), ID
7P2317.
(12) M. Kitada: Beauty of Arts from Material Science, Uchida
roukakuho, (2013), 104106.
(13) 崔禎恩，北田正弘日本金属学会誌，74(2010), 365
369.
(14) 桐野文良，北田正弘日本金属学会誌，79(2015), 5763.
( 15 ) 北田正弘室町期日本刀の微細構造，内田老鶴圃，( 2008 ) ,53.
(16) 田中真奈子，北田正弘日本金属学会誌，74(2010), 250257.
(17) 北田正弘，張大石日本金属学会誌，72(2008), 483
490.
(18) M. Kitada: Beauty of Arts from Material Science, Uchida
roukakuho, (2013), 134135.
(19) M. Kitada: Beauty of Arts from Material Science, Uchida
roukakuho, (2013), 7073.
(20) 北田正弘日本金属学会誌，72(2008), 863
867.
(21) 杉岡奈穂子，北田正弘日本金属学会誌，71(2007), 921926.
(22) 貴田啓子，北田正弘日本金属学会誌，74(2010), 158164.
(23) 北田正弘，伊坂紀子，西嶋雅彦東京藝術大学美術学部紀要，
52(2014), 1732.
(24) 北田正弘，伊坂紀子東京藝術大学美術学部紀要，53(2015),
3955.
( 25 ) 北田正弘美術品の劣化と保存に関する包括的理論と方法論の確立，文化庁・高松塚古墳壁画劣化調査委員会(第 3 回)資料 2(2008).

特集古代上質鉄から発想を得た
高耐食性 FeCr 合金
一

色

実

れており，大陸と海洋の 2 つの経路を経て種子島に伝わっ

.

は じ

め

に

たとされている(2)．その後，九州を経て砂鉄の豊富な中国地方へ広がり我が国独自の発展を示した．

1995年に出版されたまてりあの特集記事(1)に，「法隆寺のたたら製鉄法は，砂鉄から直接鋼を作る (ケラ)押し法

昭和の解体工事で取り出された古代の釘が非常に健全で耐食と，銑(ズク)を作ることを目的とする銑押し法の 2 つに分性に優れ，そのまま再使用できるものさえあることを知った類される(3)．炭素濃度の低い は鋼の原材料となり，鍛造とのは 60 年近い昔のことであった」と，著者の師である井垣

焼き入れが可能で，良質部は玉鋼と呼ばれ日本刀の作製に用謙三東北大学名誉教授が述べている．また，その体験と共にいられるほか，刃物，工具などに用いられる．一方，銑は炭

現在の実用鋼が複雑な多元系であるため鉄本来の特性が明ら

素濃度が高く，鋳物に用いられると共に脱炭処理により包丁かにされていないと考えられるに至ったことが，鉄の精製を等に用いられてきた．銑押し法は鎌倉時代に確立され， 押研究課題の一つに取り上げた理由になったとの記述がある．

し法が確立したのは室町時代後期とされている(4)．

著者は，学生時代，師の研究室に配属になり，鉄の高純度

たたら製鉄法の調査のために，遺跡の考古学的研究(5)，鉄化 に 関 す る 研 究 と 出 会 い ， 幸 い に し て 残 留 抵 抗 比†器の 化学 分析 ，非破 壊機 器分 析(6) およ び中 性子放 射化 分

(RRRH,4.2 K)で判断する限り世界最高純度の鉄を手にするこ析(7)(8)といった組成分析と共に金属学的組織観察が行われてとができた．くろがねと呼ばれた鉄の表面がピカピカの金属いる．さらに，加速器質量分析による 14C 年代測定法(9) ，光沢を示すことに感激した記憶がある．

Pb 同位体比の測定あるいは出土品に付着した土中の花粉分

著者自身の発想ではないが，研究の一部に携わった者として，本稿ではたたら製鉄法によって作製された和鉄の高耐食性に発想を得，結果として高耐食性 Fe Cr 合金開発の可能性が見出された経緯について述べる．まず，たたら製鉄法の析による産地推定(10)，錆からの材質と製法の推定(11)も試みられている．


化学組成と耐食性

概略および和鉄の特徴を簡単に述べた後高純度鉄の作製およ

たたら製鉄法で作製された鉄器中の不純物は原料砂鉄と作び耐食性の評価結果を紹介し，和鉄との関連について述べ製法に依存し，作製された場所および時代にも依存することる．最後に，高純度 Fe Cr 合金の耐食性評価について紹介になる．表に分析値の例(12)を示した．他の報告からも，することにする．

現在の高炉鉄と比較して，Si, P, Ti, S および Mn などの不純物濃度が低いことが知られている(13) ．木炭を還元剤とし.


たたら製鉄法と和鉄の特徴

たたら製鉄法

砂鉄を原料とするたたら製鉄法のルーツは東南アジアとさて用いるたたら製鉄法では，高炉鋼で問題となるコークス由来のS濃度が低く，さらに，低温還元かつ低還元性雰囲気であるため Si, Al, Ti および Mn 等の不純物は還元されず介在物中に存在することになる．

東北大学名誉教授
Highly Corrosion Resistant Ironchromium Alloy Inspired By High Quality Ancient Iron; Minoru Isshiki(Professor Emeritus, Tohoku
University, Sendai)
Keywords: ancient iron, highpurity iron, highpurity ironchromium alloy, corrosion resistance, oxidation† 室温での電気抵抗率を 4.2 K の電気抵抗率で割った値で，この値が大きいほど純度が高い．鉄の場合は自発磁化による磁気抵抗の寄与を最小にするために 4.2 K における測定は 60 kA/m の縦磁場中で行う．
2016年 5 月18日受理[doi:10.2320/materia.56.125]

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan




表1

各種古代鉄器の分析組成(mass ppm)．

鉄器試料

Na

Al

Si S Ca Ti

Ti Cr Mn

飛鳥時代の釘

8.9

46

39

24

120 ＜10 ND＜3

法隆寺五重塔釘(創建当初)

23

293

48

21

14

365 160

薬師寺学校菩薩
鉄心(奈良時代)

8.4

140

63

19

41

256 106

鎌倉時代鋳鉄板 ＜3

20

33

120

14 ＜25

海住山寺塔鉄材(鎌倉時代)

13

65

120

姫路城かすがい(慶長年間)

7.8

45

31

Cu Ga

As

10

44

17

46

80

19

14 ＜0.8

4

64

29

244

633

140

109

57

15 ＜0.2＜10

Fe, Ti, V, Cr

60

22

146

240

60

78

19

13 ＜0.5＜7

Fe, Ti, Mn, Al

6

48

56

40

55

137

210

11

24 ＜0.4

5―

ND ＜30 ND

30

11

89

39

27

23

11

11 ＜0.5 ＜0.4

Fe, Al, Si―

25 ＜10

＜3

2.5

72

102

209

140

79

56 ＜0.4

Fe, Ti, Mn, V

7In

非金属介在物中から検出された元素Co Ni Cu

W

―

Fe

(
原子吸光分析，川崎製鉄技術研究所依頼分析，他は中性子放射化分析)

たたら製鉄法で得られた和鉄の重要な特徴の一つは耐食性に優れていることで，表面は酸化皮膜で覆われているが，表面を研磨すると金属光沢を示す面が現れる．井垣(12)は，現在の高炉鋼の場合，S による脆化を抑えるために Mn が添加され耐食性に有害な MnS が生成するが，たたら製鉄法では
Mn 添加の必要がないこと，そして耐食性に有害な不純物濃度が低いことが，高炉鋼よりも耐食性に勝る原因であると考えた．
一方，永田と古主(13) は，奈良時代から現代までの和釘試料に対して，電子線マイクロアナライザを用い介在物の影響を受けない微小部の酸素分析を行い，固溶酸素濃度が過飽和状態にあることを明らかにした． FeO から Fe3O4＋ Fe への図1

共析変態温度以下で，この過飽和の酸素を含む和釘表面上に大気暴露時に高純度鉄および高純度銅表面上に室温で形成された酸化膜厚さの時間変化．

は安定な黒錆である Fe3O4 薄膜が形成されて高耐食性をもたらすと推測している．
形成を角度分解 X 線光電子分光法で調べた．公称純度 5N.


高純度鉄の作製と酸化および耐食性評価

鉄の高純度化の市販純銅および市販純鉄に減圧水素雰囲気下で浮遊帯溶融精製を施して得た高純度鉄( RRRH,4.2 K ＞ 7000 )と高純度銅(RRR＞20000)を冷間圧延後，水素雰囲気中でアニールし，

著者らは，鉄本来の性質を知ることを目的として高純度化

試料として用いた．超高真空中で Ar イオンスパッターを施プロセスの開発を行った．帯溶融法あるいは電子ビーム溶解

し清浄表面を得た後大気暴露を行い，酸化膜厚の大気暴露時といった物理的精製法のみでは特定の不純物しか除去できな間依存性を評価した．

いことを考慮し，陰イオン交換法を主とした高純度化プロセ

図に示すように，高純度銅の場合大気暴露直後の酸化膜スの開発に取り組んだ．陰イオン交換法，真空中における浮は薄いが，時間経過と共に酸化が進行することが分かる．そ遊帯溶融精製および水素処理を組み合わせることにより，市れに反して，高純度鉄の表面上には大気暴露直後に数ナノメ

販電解鉄から初めて RRRH,4.2 K 値が10000を超える高純度鉄

ートル厚さの酸化膜が形成されるが，その後酸化の進行はほを得ることができた(14) ．また，溶媒抽出法の適用も試みぼ停止することが分かった．つまり，高品位で緻密な酸化膜た．さらに，陰イオン交換法と水素プラズマ溶解を組み合わが保護膜となり，その後の腐食および酸化を抑制しているこ

せ，グロー放電質量分析法による評価結果として 9.99998とになる．この事は，高純度鉄が大気中で数十年経過後も金mass ( 5N8 )の純度を有する高純度鉄が得られる実用規模

属光沢を保ち続けていることと対応する．

のプロセスも確立した(15)．これらプロセスで作製した高純度鉄を用い，耐食性も含め鉄本来の特性を多くの研究者の協力を得て明らかにすることができた．


自然酸化膜の評価

鈴木ら(16) は，高純度鉄および高純度銅表面の自然酸化膜






高温酸化膜

FeO の共析変態温度 833 K 以上で，鉄の高温酸化膜は Fe

素地/FeO/Fe3O4/Fe2O3 の 3 層構造となる．酸化速度則は放物線則に従い，FeO 層中の Fe の外方拡散が酸化の律速過程とされているが，その放物線速度定数は報告により大きく異特集

なっている．高純度鉄の酸化挙動および微量不純物の影響を調べるため，溶媒抽出法と陰イオン交換法により精製した 5




鉄の耐食性に与える純度の影響と古代鉄器の耐食性

N 以上の高純度鉄と公称純度 3 N の市販電解鉄を用い， 0.1

杉本ら(19) は，陰イオン交換精製法と浮遊帯溶融精製法にMPa の純酸素雰囲気中 873 1173 K の範囲で熱重量測定法

よって高純度化した高純度鉄(RRRH,4.2 K～6000)および純度を用いて高温酸化挙動を調べた(17)．

の異なる市販純鉄( RRRH,4.2 K  80 ～ 800 )を用い，耐食性に873 K および 1073 K において測定した酸化重量増の 2 乗

対する純度の影響を調べた．

と時間との関係を図に示す．高純度鉄の結果は実験範囲内

その結果，0.5 kmol・m－3H2SO4 水溶液中における腐食速で直線関係を示し放物線則に従うが，電解鉄では酸化速度が度は純度と共に低下し，高純度鉄の腐食速度は最も純度の低小さく，さらに放物線則から下方へのずれを示した．また，

い市販純鉄(RRRH,4.2 K＝80)の約 1/50と小さく耐食性に優れ

断面観察の結果，電解鉄上の全酸化膜厚に占める FeO 層のていることを明らかにした．カソード分極曲線の評価から，割合は，高純度鉄より小さいことも明らかとなった．さら

高耐食性の原因が水素過電圧の増大に起因することを示し，に，電解鉄では Fe/FeO および FeO/Fe3O4 両界面にボイド

また，NaCl 溶液中の孔食誘導期間および孔食電位の貴卑のの形成が観察されたが，高純度鉄の場合にはボイドは観察さ序列が明瞭な純度依存性を示すことも明らかにしている．

れず，界面の優れた密着性が認められた．

さらに， pH8.45 のホウ酸塩緩衝液中でアノード分極特性

この様に，10 ppm オーダーの不純物が酸化に大きく影響の評価を行い，高純度試料ほど不働態維持電流密度が小さくすることが明らかとなった．2 次イオン質量分析法による結なることを見出した．その理由を解明する目的で不働態被膜

果から，電解鉄では Fe/FeO 界面から FeO 側に Si 等の不純の評価を行った結果，高純度試料ほど薄く欠陥濃度の小さい物の濃縮が観察され，高純度鉄と異なる酸化挙動の原因と考皮膜が形成されることを確認している．

えられた．

一方，井垣は(12)(20)，pH8.45のホウ酸塩緩衝液中で古代鉄古主(18)は，備中国分寺和釘の酸化被膜を詳細に調べ，熱器の不働態維持電流密度を測定し，高純度鉄との比較を行っ

間鍛造で作製された和釘の酸化被膜が 3 層構造であることている．アノード分極曲線の測定の結果，いくつかの試料では現代鋼と同様であるが，以下のような異なる結果を得てい高純度鉄の値を下回る不働態維持電流密度を得ている．さらる．つまり， Fe2O3 から成る最表面側にも FeO が存在するに，同一の刀についても刃部に比べて茎(なかご)は耐食性がこと，また鉄側の FeO 層は結晶子サイズが 10 nm 程度の微劣っており，茎では鍛錬の程度が少なく非金属介在物の残存粒子で，現代鋼には認められない優れた素地との密着性を示

量が多いことがその原因と推測している．また，高純度鉄よすことを報告している．

りも低い不働態維持電流密度が得られることから，耐食性に

このような酸化物層と鉄素地との優れた密着性は高純度鉄に認められた結果と類似しているが，その形成過程は異な

有害な不純物が少ないことに加え，耐食性向上に寄与する不純物が存在する可能性を指摘している．

る．古主は，滓を含む和釘の鍛錬時の叩き出し作業が，フェライト母相中に滓のガラス質分を均一に微細分散させ，鋼自.

高純度化による Fe
Cr 合金の耐食性の向上

体の耐食性の向上に加え密着性の良い微細な保護被膜を形成させる効果があると推測している．

前述のように鉄の耐食性が高純度化により大きく向上する
ことが分かった．実用ステンレス合金においても非金属不純物元素の低減化された高純度フェライト合金が開発されているが，ステンレス合金の耐食性が高純度化によってさらに改善可能であるかどうかを知ることは極めて興味深い．杉本ら(21) は，陰イオン交換精製法と浮遊帯溶融法により精製した高純度鉄( RRRH,4.2 K ＞ 5000 )と市販公称純度 4 N の Cr を原料として Ar プラズマ溶解により Cr 濃度の異なる Fe Cr
合金を作製し，耐食性と不働態被膜の評価を行った．また，比較試料として公称純度 3 N の電解鉄と公称純度 2 N の電解 Cr を原料として真空中で高周波誘導溶解した合金および市販のフェライト系ステンレス合金も用いた．
10 質量 H2SO4 中の 343 K において評価した腐食速度の
Cr 濃度依存性を図に示す．図から明らかなように高純度

合金の腐食速度は真空溶解合金よりも著しく小さく，
SUS304鋼と比較しても 1/2 となっていることが分かる．分極曲線の測定により，その原因が水素過電圧の増大によることを明らかにしている．
図2

高純度鉄および電解鉄の高温酸化時における重量増加の 2 乗と時間との関係．

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japanさらに，塩化物イオン存在下の耐孔食性に対する純度の影
響を調べている．5 質量 FeCl3＋0.05 kmol・m－3HCl 中の

しており，耐孔食性の向上には Cr 濃度を大きくするよりも，高純度化の方が有効であることを示している．
これらの結果は，高純度 Fe Cr が将来の高耐食性材料として，また，高耐食性合金開発のための基礎的研究用材料としても極めて重要であることを示している．

.

お

わ

り

に

以上述べたように，古代鉄が耐食性に優れているという事
実に発想を得ると共に，鉄本来の性質を明らかにするために行った耐食性の評価から，結果として新たな高耐食性合金開発の可能性が示唆された．耐食性に関わらず，添加元素量が少なく現状より優れた特性を有する高性能合金は，資源の枯渇が予想される将来，極めて重要な意味を持つと考えられる．時間をかけて発展してきた伝統技術の持つ意味を振り返ることが，新たな材料開発のヒントとなり得ることを忘れてはならない．
図3

10 massH2SO4 中 343 K において評価した各種
FeCr 合金の腐食速度と Cr 濃度との関係．

文献( 1 ) 井垣謙三まてりあ，34(1995), 332333.
( 2 ) 島立利貞鉄の文化誌，東京図書出版会，(2001), 58
61.
( 3 ) 清永欣吾まてりあ，33(1994), 14531558.
( 4 ) 鈴木卓夫鉄と鋼，19(2005), 97102.
( 5 ) 例えば，穴澤義功，遥かなる和鉄，鉄の技術と歴史研究フォーラム編集委員会編，慶友社，(2015), 91119.
( 6 ) 田口 勇応用物理，57(1988), 11631169.
( 7 ) 井垣謙三，一色 実考古学と自然科学，14(1982), 25
37.
( 8 ) 平井昭司，前田一幸分析化学，38(1989), 667673.
( 9 ) 藤尾慎一郎鉄と鋼，91(2005), 1115.
(10) 井垣謙三ふぇらむ，1(1996), 2935.
(11) 佐々木稔表面科学，9(1988), 746748.
(12) 井垣謙三材料科学，19(1982), 6873.
(13) 永田和弘，古主泰子金属，84(2014), 576
584.
(14) M. Isshiki and K. Igaki: Trans. JIM., 18(1977), 412422.
(15) M. Uchikoshi, H. Shibuya, T. K áekesi, K. Mimura and M.
Isshiki: Met. Mat. Trans. B, 40(2009), 615618.
(16) S. Suzuki, Y. Ishikawa, M. Isshiki and Y. Waseda: Mater.
Trans., JIM, 38(1997), 10041009.
(17) Y. Zhu, K. Mimura, H. Chujo, S.H. Hong, J.W. Lim, M.
Isshiki and Q. Jiang: Met. Mat. Trans. A, 37(2006), 791793.
(18) 古主康子鉄と鋼，91(2005), 9196.
( 19 ) 杉本克久，松田四朗，一色 実，江島辰彦，井垣謙三日本
金属学会誌，46(1982), 155161.
(20) 井垣謙三金属，54(1984), 30
36.
( 21 ) 杉本克久，原 信義，一色 実，江島辰彦，井垣謙三日本
金属学会誌，46(1982), 703712.

図4★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

5 mass  FeCl3 ＋ 0.05 kmol ･ m－3 中 323 K において評価した各種 FeCr 合金の腐食速度と Cr 濃度との関係．

1976 年

腐食速度の Cr 濃度依存性を図に示す．図から明らかなよ
うに腐食速度は市販ステンレス鋼．真空溶解合金．高純度合
金の順となり，高純度化の効果が顕著に認められた．特に，高純度合金の腐食速度は市販合金の 1 / 35 ～ 1 / 500 の値を示



一色

実

東北大学工学研究科金属材料工学専攻博士課程修了
1976年 日本学術振興会奨励研究員
1977年 東北大学工学部助手
1991年 東北大学選鉱製錬研究所助教授
1992年 東北大学素材工学研究所(2001年に多元物質科学研究所に改組)教授
2012年 退職，東北大学名誉教授
専門分野高純度材料，結晶成長◎金属および化合物半導体の高純度化とその特性評価に関する研究に従事．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

特集

第 1 分科(エネルギー材料)

エネルギー材料の果たす役割
大

森

俊

洋

現在も，世界のエネルギー消費量は経済成長とともに増加を続けている．中国やインドの一人あたりの名目 GDP に対する一次エネルギー消費量は日本の約 5 倍であり，これらの国々の経済発展によるエネルギー消費量の増加が予想される．また，最終エネルギー消費も，輸送用エネルギー増加などにより，年々増加している．エネルギー問題と地球温暖化問題の重要性は，今後，一層高まると予想される．
資源エネルギー庁によれば， 2013 年の世界の一次エネル
ギー消費に占める石油・石炭・天然ガスの割合の合計は

図1

本企画のエネルギー関連技術(括弧内は材料研究)．

82であり(日本は 92)， 1971年の 86から大きくは変化しておらず，依然として化石燃料に強く依存している．このような中，材料科学に求められるのは，従来の延長線上にある火力発電は，省エネルギーと温室効果ガス排出削減に対しるエネルギー変換システムの高効率化と新しいエネルギー源て大きなインパクトを有しており，高効率化の鍵を握るのはとなる技術を創製していくことであると考えられる．

耐熱材料の開発である．航空機利用も含め，耐熱材料におけエネルギー政策では，安定供給，経済効率性，環境( 3E )る研究動向と展望について執筆いただいた．また，形状記憶に加え，安全性の視点の重要性が認識されてきた．この十年

合金は磁気熱量効果や弾性熱量効果による固体冷凍技術としを振り返る上で欠かせないのが， 2011 年 3 月 11 日の未曽有ても注目されており，水素ガスの液化への利用も期待されの東北地方太平洋沖地震により生じた福島第一原子力発電所

る．さらに，医療や建築・土木分野などにおいても利用が広の事故であろう．研究者・技術者が負う責任の重さを感じずがっている．

にはいられない出来事である．

太陽電池材料，熱電材料，燃料電池材料なども編集委員内

今回，1 分科(エネルギー材料)では，水素化物，蓄電池，で挙げられたことを付記したい．今回の特集で全てのエネル

福島第一原子力発電所の廃止措置，耐熱材料，形状記憶材料

ギー材料分野を網羅することは不可能であり，これ以外にもに関し，特にこの 10 年での研究の変遷と今後の展望につい多くの研究が進められている．将来のエネルギー政策は多くて執筆いただくこととした(図)．水素エネルギーは環境負の議論のもとに進められていくが，材料科学においては，重荷の低減が期待でき，材料科学分野だけから見ても水素分離

要性の高い課題に加え，幅広い基礎研究により，今後生じるから水素貯蔵など，水素化物に関する多くの研究が取り組ま(かもしれない)社会への要求に対し，答れている．この他，金属学会としては，水素脆化なども重要えることのできる土台を築いておくことな課題であると考えられる(5 分科記事参照)．また，リチウ

も必要と考えられる．

ムイオン電池などの蓄電池は携帯電子機器用をはじめとしてご多忙の中，ご執筆いただいた著者の世の中に広く普及し，今後もさらに発展することが予想され皆様に深く感謝するとともに，本企画がる．福島第一原子力発電所に関しては，事故の状況から事故

エネルギー材料分野の変遷を理解し，今後の安定化及び廃炉措置の概要と材料科学が果たす役割につ大森俊洋

後を展望する一助となれば幸いである．

いて執筆いただいた．東日本大震災以降，さらに依存が高ま東北大学大学院工学研究科金属フロンティア工学専攻准教授(〒9808579 仙台市青葉区荒巻字青葉 66
02)
Role of Energy Materials; Toshihiro Omori(Tohoku University, Sendai)
Keywords: hydride, lithium battery, Fukushima Daiichi nuclear power plant, heat resistant material, shape memory alloy
2016年12月21日受理[doi:10.2320/materia.56.129]

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan

エネルギー材料としての水素化物の研究開発
折 茂 慎 一中村優美子
 石 川 和 宏


西村
睦
 亀 川 厚 則

.

はじめに水素を社会利用する機運の高まり

燃料電池自動車(1)や自立型水素エネルギー供給システム(2).


金属水素化物

水素貯蔵と蓄電の商用化，さらには水素の長距離・多量輸送を含めた水素エ

金属水素化物 自体は古くから知られていたが， 1970 年

ネルギーサプライチェーン(3)の構築に向けた取り組みなど，頃，常温・常圧付近で可逆的に水素と反応する LaNi5H6 に二次エネルギーとしての水素を社会利用する機運が一気に高代表される，所謂「 AB5 系水素化物」の報告を契機に，水まっている．これにともない，様々な水素圧力・温度・応力

素貯蔵技術に利用できる可能性が開かれた(4)．

場などの条件のもとで金属系材料や無機系材料と水素とが接

例えば，燃料電池自動車が 500 km 走行するためには約 5触・反応して水素化物が形成される状況が格段に増えておkg の水素が必要とされ，そのための水素貯蔵技術として，り，機能性や安全性の維持向上の観点からも水素化物に関わ 重量あたりの貯蔵密度( 5.5 以上)，◯
 体積あたりの貯蔵◯る研究開発はその重要度を増している．

 水素充填速度( 3 分以内)，な密度( 50 g /リットル以上)，◯

この 10 年を振り返ると，本学会では，水素・水素貯蔵・どが求められる．これに向けて遷移金属からなる「固溶体合

水素透過に関する一般セッションに加えて， 2008 年から公金水素化物」が開発された．図に示すように，金属原子ひ募シンポジウム「水素エネルギー材料」を 6 回開催するととつ当たり水素ふたつと反応して二水素化物を生成することともに， 2011 年と 2014 年には Materials Transactions でのから，上述の AB5 系水素化物( 1 ～ 1.4 )よりも高い重量貯Special Issue を刊行，さらに 2014 年からは「水素化物に関蔵密度( 2 ～ 3 )が得られることが特徴である．代表例としわる次世代学術・応用展開研究会(構成員 67 名)」も組織し

 は未ての TiCrV 系固溶体合金の水素化物においては，◯て活動を進めてきた．何れも，水素の分離・精製技術や貯蔵 および◯
 はほぼ達成され，現在では水素貯蔵達であるが，◯

技術，あるいはニッケル－水素電池やリチウムイオン電池にサイクル特性などの観点から改良の方策が検討されてい代表される蓄電技術，などに対する社会的要求に材料科学のる(5)(6)．

観点から応えるための取り組みといえる．

 および◯
 が達成可能な軽量材料の開発を目指し
また，◯

以下，本学会の研究者・技術者の貢献度が大きい金属水素て，高圧合成やメカニカルミリングなどの手法(後述)を用い化物や錯体水素化物を用いた研究開発の進展と，そこから見て「Mg 系合金水素化物」の開発が進められている．この場出されたエネルギー材料としての新たな可能性や合成プロセ合，573 K 程度と高い水素放出温度の低下が課題であるが，スの高度化などについて，主に 10 年間の変遷と今後の展望

結晶粒径のナノサイズ化に関する様々な研究が進み，これまをまとめる．

でに数 10 ～ 100 K の低下が報告されている(7) ．さらに「 Al東北大学原子分子材料科学高等研究機構(WPIAIMR)/金属材料研究所教授(〒9808577 仙台市青葉区片平 2
11)
産業技術総合研究所 創エネルギー研究部門総括研究主幹
金沢大学理工研究域機械工学系教授

物質・材料研究機構エネルギー・環境材料研究拠点副拠点長
室蘭工業大学 環境調和材料工学研究センター教授
R&D on Hydrides as Energy Materials; Shinichi Orimo, Yumiko Nakamura, Kazuhiro Ishikawa, Chikashi NishimuraandAtsunori Kamegawa(WPIAIMR/Institute for Materials Research, Tohoku University, Sendai. National Institute ofAdvanced Industrial Science and Technology, Tsukuba. Institute of Science and Technology, Kanazawa University, Kanazawa.
National Institute for Materials Science, Tsukuba. Research Center for Environmentally Friendly Materials Engineering,
Muroran Institute of Technology, Muroran)
Keywords: hydride, hydrogen storage, hydrogen separation and purification, fuel cell, battery, synthesis processing
2016年 6 月13日受理[doi:10.2320/materia.56.130]



特

集

図 1 bcc 構 造 の 固 溶 体 合 金 ( a )の 水 素 貯 蔵 に と も な
い，一水素化物(b)を経て CaF2 構造の二水素化物(c)が生成．一般的には( b )( c )間で可逆的な水素貯蔵反応が進行する．描画は VESTA(Momma ら J. Appl. Crystallogr. 44(2011) 1272)による．

図 2 AB5 系 お よ び AB2 系 単 位 格 子 を 積 層 し た A2B7系の結晶構造．描画は VESTA による．

水素化物」は，本来常温・常圧付近では不安定であるが，表面層の効果により三水素化物( AlH3 )の状態が保持される．
373 K 程度の加熱で三水素化物が熱分解して重量貯蔵密度で10 もの水素を放出することが示されたが(8) ，放出後に再度水素貯蔵させるためには，車外での高圧・化学プロセスなどが必要となる．
一方，燃料電池自動車以外の展開として，自立型水素エネ
ルギー供給システムにおける「定置型」水素貯蔵技術としての実用化が先行して進んでいる(2)．この用途では，燃料電池自動車より 1 ～ 2 桁大きい 10 ～ 100 kg 級規模の水素が必要とされ，体積貯蔵密度に加えて，大型化に伴う安全性・耐久性・コスト低減がより重要視される．現状では主に希土類を含む AB5 系水素化物が用いられているが，希土類フリーの観点から，今後は TiMn2H3 に代表される「AB2 系水素化物」
や TiFeH2 に代表される「 AB 系水素化物」などの適用が進むものと期待される．東日本大震災以降，特に重要視されている再生可能エネルギーの導入拡大の観点から，このような

図 3 各金属の水素透過度の温度依存性(11)．Pd より高い水素透過度を示す 5a 族元素の V, Nb, Ta などを用いた新たな合金膜の開発が進められている．

定置型水素貯蔵技術の必要性が高まることは間違いない．
金属水素化物は，水素貯蔵技術だけでなくニッケル－水素
電池での蓄電技術においても不可欠である． 1991 年のニッ

合金膜の代表例としての PdAg 合金の場合，水素透過度

ケル－水素電池の実用化当初から，その負極材料としての向上に加えて，その低下要因となる Pd 水素化物(PdH)の「AB5 系水素化物」に分類される MmNi5 系(Mm希土類元生成が抑制され，低温領域でも分離・精製プロセスが進行す

素の混合物であるミッシュメタル， Ni に対して Co や Mn

る．さらに Cu を添加することで，原料ガスに不純物として含の添加・置換)が用いられてきた．その後，B/A 比を小さくまれる硫黄による劣化も抑制できることなども知られている．

することで，図の AB5 系および AB2 系単位格子を積層し一方で Pd は 2,000 円/ g ( 2016 年 5 月)を超える貴金属であた結晶構造をもつ ABx系(3＜x＜ 5)が新たに開発された(9)．

り，採掘時の環境負荷も大きいことから，他の合金膜の開発

なかでも AB3.5 付近の(Mm, Mg )2(Ni, Al)7 は，従来の AB5

 Pd と同等以上の水素透も急務となっている．この場合，◯系より高容量かつ長寿命であることから，現在のニッケル－ 圧力差応力に対する耐水素脆化性，◯
 工業的に容易
過度，◯

水素電池に広く利用されている(10)．

 表面での水素分子解離能，◯
 使用環境に薄帯化プロセス，◯

水素分離・精製での耐酸化性・耐熱性，などの特性が求められる．図の水
素透過度の温度依存性(11)から，低い水素圧力の(すなわち水

天然にはほとんど存在しない水素ガスの製造のために多種の素固溶量が少ない)状態では，5a 族元素の V, Nb, Ta が◯多様な手法が考案されているが，その最終段階には合金膜な高い水素透過度を示すことが分かるが，大気圧を超える高いどを用いた水素の分離・精製プロセスが必要とされる．この

水素圧力ではこれらの元素が水素を多量に固溶するために水膜の表面で水素分子が水素原子に解離，膜中を透過した後 が問題となる．しかし，水素との親和性の低素脆化に至り◯に，膜裏面に到達して再び水素分子に再結合することで，純い Ni を 10～15 mol添加した VNi 合金では水素の固溶量

度99.99999以上の高純度水素ガスが分離・精製される．

が低減することで耐水素脆化性が向上(12)，また圧延による

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan の観点からも工業的応用も期待
箔帯化も可能であるために◯されている．
 の耐水素脆化性をさらに向上させるための臨界水素固溶◯

量(13)や二相組織(14)の観点で重要な材料設計指針も見出されている．例えば Nb TiNi 系二相組織においては，水素透過を担う Nb 相と耐水素脆化性を担う TiNi 相との共存によっ と◯ を同時に満足する優れた合金膜であることが報告て，◯
 の観点から Pd 被覆を利用する場合，されている．さらに◯合金膜との反応抑制のために炭化物や酸化物を用いる研究(15)なども進められている．最近では， V 表面の部分酸化

図 4 LiBH4 (( a ) 390 K 以下の斜方晶)は熱分解に伴う水素放出後に LiH(リチウム水素化物)と B(ホウ素)との混合相(b)になる．描画は VESTA による．

に よ り Pd フ リ ー の 合 金 膜 が 形 成 で き る こ と も 報 告 さ れた(16)．新たな合金膜を用いた水素の分離・精製プロセスの実用化が期待されている．

.

錯体水素化物Li, Na, Mg などのアルカリ・アルカリ土類金属の陽イオ

ン，および水素を含む[ BH4 ]－ ，[ NH2 ]－ ，[ AlH4 ]－ などの多様な錯イオンから構成される無機系の水素化物の一群が錯体水素化物である．還元剤としても利用されてきた代表的な錯体水素化物 LiBH4 の結晶構造を図に示す．
これら錯体水素化物は，金属水素化物に比べて重量あたりの貯蔵密度が 6 以上と高いことが特徴である(17) ．例えば
図 4 の右方向に熱分解して約 14 もの水素を放出する．この場合，約 700 K まで加熱する必要があるが，より低温での熱分解には「陽イオンを形成する元素の電気陰性度」を指針とした研究開発が有効であることが理論および実験の両面

図 5 錯体水素化物を含めた各種固体材料の Li およびNa イオン伝導性(23) ．特に[ CB11H12 ]－ などの“クラスター型”の錯イオンを含む錯体水素化物のイオン伝導性が高い．

から明らかになった(17) ．すなわち，電気陰性度の大きな元素を選定することで錯体水素化物が不安定化して 400 K 以
下でも容易に熱分解が進行する．図 4 の左方向へ再結合すである．固体電解質としての錯体水素化物の特徴をまとめる

ることで再度水素貯蔵させることも可能であるが，例えば

 結晶構造の最適化により室温付近でも 10－4～10－3 S/と，◯

35 MPa ・ 873 K の水素圧力・温度条件が必要となる．反応

 錯体水素化物自体が還元性で
cm のイオン伝導性を示す，◯

速度の向上も含めた技術的課題の解決に向けて，元素置換や

 5 V 程度あるために Li や Na 電極に対して安定である，◯複合化，触媒添加などの研究開発が続けられている(18)．

の高電位でも安定であるために高電位の電池構成が可能であ

一方，熱分解よりも低い温度領域では，錯体水素化物を構 陽イオンを形成する元素が Li や Na など(電気陰性度
る，◯

成する Li や Na などの陽イオンが高速でイオン伝導するこの小さな元素)の場合は熱分解温度が高く熱安定性に優れる，とが報告された(19) ．携帯機器や移動体に広く用いられるリ 塑性変形しやすくまた一軸成型のみで室温で容易に緻密体◯

チウムイオン電池は，内部の液体(有機系)電解質を固体材料が作製できる，などとなる．

に置き換えることで高エネルギー密度かつ高安全性の全固体

これらの報告を契機に， LiBH4 を主相とする錯体水素化

電池にすることが望まれている．また将来のナトリウムイオ物を固体電解質に用いた全固体リチウムイオン電池の研究開ン電池などでも，固体電解質となりうる材料の多様性を広げ発が世界的に活発化し始めた(20)．産業界からの関心も高く，ることが望まれている．これらの観点で，酸化物や硫化物に150°C程度の高温環境でも電池動作可能な「高耐熱全固体リ

次ぐ「第 3 の固体電解質」として，錯体水素化物の新たなチウムイオン二次電池」として，エンジンルームに搭載する可能性が注目されている(19)(20)．

自動車用の電源や大型産業機械に搭載するモータ用の電源な上述した LiBH4 の場合，加熱に伴って 390 K 付近で斜方

どでの利用が期待されている(21) ．また大幅な高エネルギー晶から六方晶へと結構構造変化することで，図に示すよう密度化の達成が期待される図のようなバルク型全固体リチに(リチウム)イオン伝導性が一般的な固体電解質に必要とさウム－硫黄電池の研究開発も進められている(22)．

れる 10－3 S / cm にまで上昇する．さらに錯イオンとしてのLiBH4 に含まれる錯イオン[ BH4 ]－ よりもさらに大きな[BH4]－ を，[NH2]－ や I－(ヨウ素イオン)などで置換するこ“クラスター型”の錯イオンを含む錯体水素化物も研究対象とで，室温付近でも高速イオン伝導性が発現することも重要として高い関心が寄せられている．例えば，[ B12H12 ]2－ や



特

集

図 6 バルク型全固体リチウム－硫黄電池．硫黄正極
重量当たりのエネルギー密度は従来電池の正極と比較して 2 3 倍高い．電池構成を明確にするためにリチウム
負極の一部を意図的に剥離している．

[ B10H10]2－ ，それらのホウ素( B )を炭素(C )で部分置換した[CB11H12]－ や[CB9H10]－ などがその代表例であり，図 5 に

図 7 代表的な高圧発生技術と発生圧力・温度領域．
ベルト式，アンビル式， DAC は静的圧縮技術，衝撃圧
縮は動的圧縮技術に分類される．

示すように室温付近で 10－2 S / cm 以上もの超高速イオン伝導性を示す錯体水素化物が最近報告されており(23) ，この研究分野の更なる活性化が期待されている．

.

合成プロセスの多様化

金属水素化物や錯体水素化物の研究のためには，溶解・鋳造法などの冶金学的な手法に加えて，高圧合成やメカニカル
ミリング合成などの多様な合成プロセスを駆使することも必 項で示した金属水素化物における高い水素放須である．2.

図 8 マルチキュービックアンビル式高圧発生の概略
図(a)と試料セルの模式図((b)水素源あり，(c)なし)．

出温度の低下に加えて，錯体(無機系)水素化物への適用例も多い．例えば，メカニカルミリング合成した水素化グラファ

数にもおよぶ収縮のほか，内部水素源(図 8( c ))の封入に

イトLiH 複合材料では水素化グラファイト単体より低温のより高圧水素との反応を促進させることができる．特に623 K において重量貯蔵密度で約 5 の水素を放出するこGPa 級以上の高圧領域では水素の化学ポテンシャルの急激と(24) ，同様に合成した LiNH2BH3 (リチウムアミドボラン)な上昇が実現できるので，より水素密度が高い水素化物を合では 363 K でも約 11の水素を放出すること(25)，などが報成・探索することが可能となる．

告されている．これらのメカニカルミリング合成では，水素概して「高圧合成された物質は準安定状態のため熱的安定

ガスを含めた雰囲気や投入エネルギーの制御が容易であり，性が低く，相変化によって常圧の安定相に戻る」と考えられ今後も多くの展開が期待される．

ているが，全てがそうではない．図に，6 GPa・623 K・2相平衡論における主な探索パラメータ(示強変数)には組成

h の 条 件 で 高 圧 合 成 さ れ た CuTi 構 造 を 有 す る MgNi のと温度，そして圧力がある．従来の水素化物の研究分野でのPCT ( Pressure Composition isoTherm )特性を示す．一般「高圧」とは数 10 ～ 100 MPa 程度の高圧水素ガスを用いたに「Mg 系合金水素化物」の反応温度は 573 K 以上とされる

オートクレーブ法のことを指していたが，近年では国内外でが，この物質では 423～473 K の比較的低温でも可逆的に水マルチアンビルなど固体圧縮方式による GPa 級( 1 GPa ＝ 1

素貯蔵反応が進行して，約2.8もの重量貯蔵密度を示す(26)．

万気圧)の高圧合成による研究が盛んになってきた．図に

MgNi は平衡状態図には存在しないが，同族の MgPd 系状 静的
代表的な高圧発生技術と発生圧力・温度領域を示す．◯

態図において CsCl 型結晶構造の，すなわち CuTi 型を正方高圧技術では長時間高圧力を発生できる．超硬合金などを金晶にしたものに一致する， MgPd が存在する．高圧下での型に用いたアンビル式やベルト式があり水素化物の探索に多Mg / Ni の原子半径比が常圧下での Mg / Pd の値に近づくこく用いられる．またダイヤモンドを用いたダイヤモンドアンとから，電子化合物の観点からも高圧合成が成功したと考えビルセル( DAC )はより高い発生圧力を有するが，得られるられる．

試料が mg 級と微量であることから主に物性研究として用い

また Al2Cu に対する 10 GPa ・ 1273 K での高圧水素処理

 動的高圧技術では爆薬やレーザーにより衝撃波なられる．◯

により，金属水素化物と錯体水素化物との中間的な性質を示

どを利用して更に高い圧力を瞬間的に発生させる方法がある

す新たな水素化物 Al2CuH の合成も最近報告された(27) ．こが，専ら瞬時の計測による物性研究で用いられる．

のほかにも高圧合成によって，この 15 年で 50 種類以上の新図にマルチキュービックアンビル式の高圧発生の概略図

たな水素化物が見出されており，今後の水素貯蔵技術や蓄電(a)と，試料セルの模式図(b)，(c)を示す．この圧力領域で技術のブレークスルーとなる水素化物の発見に大きな期待がは，出発原料の融点の大幅な変化や原子半径の数～ 10

寄せられている．

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan図 9 高 圧 合 成 さ れ た MgNi の PCT ( Pressure Composition isoTherm )曲線．比較的低温でも可逆的に水素貯蔵反応が進行することが確認できる．

.

まとめと展望社会的要求に応える取り組み

本稿は，編集委員会からの依頼を受けて「エネルギー材料」の観点で水素化物の研究開発の変遷と今後の展望を記載したものであるが，本学会では材料と水素との相互作用に関するより基礎的な研究も重視しており，例えば「水素誘起超多量
空孔研究会」なども組織されている．また，冒頭に述べたよ
うに二次エネルギーとしての水素を社会利用するためには，「水素脆性」にかかわる課題や様々な水素関連研究の共通基盤となる「水素解析技術」にかかわる課題ももちろん重要となる．今後，日本鉄鋼協会をはじめする他学協会や日本学術振興会・産学協力研究委員会(28) などとも密に連携しながら，水素化物に寄せられる様々な社会的要求に応える取り組みが望まれる．

文献( 1 ) http://toyota.jp/mirai/ および
http://www.honda.co.jp/FCX/aboutfuel/ など( 2 ) https://www.toshibanewenergy.com/( 3 ) http://www.khi.co.jp/hydrogen/( 4 ) J. H. van Vucht, F. A. Kuijpers and H. C. A. Bruning: Philips
Res. Report, 25(1970), 133140.
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

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( 8 ) J. Graetz: Chem. Soc. Rev., 38(2009), 73
82など．
( 9 ) T. Kohno, H. Yoshida, F. Kawashima, T. Inaba, I. Sakai, M.
Yamamoto and M. Kanda: J. Alloys Compds., 311(2000), L5L7.
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(11) R. E. Buxbaum and A. B. Kinney: Ind. Eng. Chem. Res., 35(1995), 530
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(12) C. Nishimura, M. Komaki and M. Amano: Mater. Trans., JIM,
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(13) T. Nambu, K. Shimizu, Y. Matsumoto, R. Rong, H. Yukawa,
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588592.
(14) K. Hashi, K. Ishikawa, T. Matsuda and K. Aoki: J. Alloys
Compd. 368(2004), 215220.
(15) K. Ishikawa, H. Habaguchi, N. Obata, Y. Kobori, N. Ohtsu andK. Aoki: Int. J. Hydrogen Energy, 41(2016), 52695275.
(16) Y. Nakamura, H. Yukawa, A. Suzuki, T. Nambu, Y.
Matsumoto and Y. Murata: J. Alloys Compd., 645(2015),
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(17) S. Orimo, Y. Nakamori, J. R. Eliseo, A. Zuttel and C. M.
Jensen: Chem. Rev., 107(2007), 41114132.
(18) Mater. Transa., Special Issue on Advanced Materials for
Hydrogen Energy Application (2011), (2014)など．
(19) M. Matsuo and S. Orimo: Adv. Energy Mater., 1(2011), 161
172.
(20) A. Unemoto, M. Matsuo and S. Orimo: Adv. Funct. Mater., 24(2014), 22672279.
( 21) http: // www.hitachi.co.jp/ New / cnews / month / 2015 / 11 / 1112.
html(22) A. Unemoto, S. Yasaku, G. Nogami, M. Tazawa, M.
Taniguchi, M. Matsuo, T. Ikeshoji and S. Orimo: Appl. Phys.
Lett., 105(2014), 083901.
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(25) Z. Xiong, C.K. Yong, G. Wu, P. Chen, W. Shaw, A.
Karkamkar, T. Autrey, M. O. Jones, S. R. Johnson, Peter P.
Edwards and William I.F. David.: Nature Materials, 7(2008),
138141.
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Trans., 50(2009), 2064.
(27) H. Saitoh, S. Takagi, N. Endo, A. Machida, K. Aoki, S. Orimo
and Y. Katayama.: APL Mater., 1(2013), 032113.
(28) 材料中での水素機能解析技術第190委員会
http://jsps190.imr.tohoku.ac.jp/★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
折茂慎一
1995年 広島大学にて博士(学術)取得
1998
99年 マックスプランク研究所金属研究所 客員研究員
2009年 東北大学金属材料研究所 教授
2013年 現職
専門分野材料工学・材料化学◎多様なエネルギー利用を目指した金属・無機系水素化物の研究開発に従事．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

折茂慎一

中村優美子

石川和宏

西村 睦

亀川厚則

特

集

蓄電池材料の最近の展開

高

.

は じ

め

に

.

村

仁

全固体型リチウム二次電池の開発

この 10 年，社会的要請の高まった技術の一つとして蓄電

全固体型リチウム二次電池は，発火の一因である有機電解池分野が挙げられることは論を待たない．特にリチウム二次液に代わり固体電解質としてリチウムイオン伝導体を用いる

電池は，容量として 5～10 Wh 程度の電池を必要とする携帯ため，安全性向上の観点から注目されている．その特徴は，電子機器はもとより， 30 ～ 100 kWh に達する自動車用な 不燃性，
 不揮発性， 液漏れがない，
 使用可能温度域
ど，より大型機器への応用が進展している．このような状況

 Li 負極のデンドライド成長，未利用リチウムをが広い，のもと， 2014 年には米国テスラ社が， 2013 年の世界全体で Li＋ 輸率 1 ，
 電池設計自由度が高い点に抑制できる，

のリチウム二次電池の生産量を超える 35 GWh の生産能力ある．有機電解液を用いる電池では，高温下でセル内部の圧を有する工場，ギガファクトリーの建設を発表している(1)．

力が上昇し危険な状況となるため，高温側の使用可能温度は

利用量・用途拡大に伴い，リチウム二次電池の高容量化は60 °C 程度とされている．一方，固体電解質には揮発性がな

進み，現在の 18650 型セル(直径 18 mm ，長さ 65 mm )の容いため，比較的高温まで安定に使用することができる．固体量 は 3.5 Ah ( 270 Wh / kg, 770 Wh / L 程 度 の 質 量 エ ネ ル ギ

電解質中では Li イオンのみが荷電粒子として働き(Li＋ 輸率

ー・体積エネルギー密度)に達しているが，限られた空間に

 1 )，一方，陰イオンは結晶構造のフレームワークを構築できるだけ多くの電極活物質を充填するという手法は物理しており移動度は極めて低い．よって固体電解質では，有機的・化学的限界に達しつつある(2)．さらに近年，リチウム二電解液のように陰イオンや溶媒分子が電極界面に蓄積しない

次電池の発火事故に起因する2013年のボーイング787型機のため，望ましくない副反応が起こり難い．また，固体電解質

運航停止， 2016 年のサムスン電子社製の携帯電話 Galaxyを用いると液体系では実現不可能な電池系を組むことが可能

Note 7 の全面回収が大きく報道されるなど，その安全性にである．たとえば，電解質層を 2 層にすることが可能であ懸念が持たれている．

り，酸化に強い電解質を正極側に，還元に強い電解質を負極

リチウム二次電池の課題，すなわち，高容量化，安全性向

側に置くことで電池系の信頼性を向上させることができる．

上，多様な作動条件への対応(温度・レート特性等)，寿命なセルの積層も簡単になる．液体電解質を使用する場合，電解どは突き詰めれば全て材料学的課題と言え，その解決には材液が混合しないようにセル間に仕切りが必要となるが，全固料開発・先端解析など様々な視点からのアプローチが必須で体電池にはそれは不要で集電体を挟んで単純に積層していけある．本稿では，リチウム二次電池を中心に蓄電池に関わるばよい．

材料の最近の進展をまとめる．

このように数多くの優れた特徴を有する全固体型電池であるが，課題として 1)固体電解質のイオン伝導度が低い， 2)
固固界面となるため電解質電極界面の形成が困難という点

東北大学大学院工学研究科教授(〒980
8579 仙台市青葉区荒巻字青葉 6602)
Recent Progress of Battery Materials; Hitoshi Takamura (Department of Materials Science, Graduate School of Engineering, Tohoku
University, Sendai)
Keywords: lithium secondary battery, allsolidstate battery, ionic conductor, interfaces, advanced batteries
2016年11月14日受理[doi:10.2320/materia.56.135]

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan

が挙げられる．よって，イオン伝導性と成形性に優れた固体

ば，高いものでは 10－2 S ･ cm－1 のイオン伝導性を有するも電解質の開発が精力的に行なわれている．

のが相次いで発見されている．酸化物系の LISICON も高い

リチウムイオン伝導度を示すが， Thio LISICON はその酸リチウムイオン伝導体の開発動向

素が分極率の高い硫黄に置き換えられた化合物である．

表に近年報告された全固体型電池に適用可能なリチウム

2000年初頭から Kanno らによって合成され，その高いリチ

イオン伝導体の室温におけるイオン伝導度を示す．固体電解

ウム イオン伝導性が報 告された(19) ． Thio LISICON は ，質としては主に酸化物系と硫化物系が研究されている．

LISICON と類似の構造をもつ一連の Li4GeS4Li3PS4 系，あ酸化物系リチウムイオン伝導体の利点は化学的安定性である い は Li4SiS4 Li3PS4 系 固 溶 体 の 総 称 で あ り ， Li4GeS4 

る．大半の作業が大気中で可能となるため電池作製プロセス

Li3PS4 固 溶 系 の Li3.25Ge0.25P0.75S4 は 2.2 × 10－3 S ･ cm－1が容易となる．一方，一般に酸化物系の多結晶体では粒界抵( 25°C )という高いリチウムイオン伝導度を示す(20)．さらに抗が支配的となり，全イオン伝導度はバルク内のイオン伝導

Kamaya らは 3 次元ネットワークの構造最適化がなされた度に比べ 1 ～ 2 桁ほど低下する． LISICON と総称される g 

Li10GeP2S12 が 液 体 電 解 質 を 超 え る 1.2 × 10－2 S ･ cm－1

Li3PO4 構造を基本とする酸素酸塩化合物(3)(4) ，ペロブスカ( 25 °C )(21) ， Kato らは塩素が一部導入された Li9.54Si1.74P1.44

イト型(5)など種々の材料系が報告されてきたが，近年，ガーS11.7Cl0.3 が 2.5 × 10－2 S･ cm－1 なるイオン伝導度を示すこと

ネット型構造の酸化物( Li5La3M2O12, M ＝ Nb, Ta )が，比較を最近報告した(22)．

的高いイオン伝導度( 10－6 S･ cm－1, 25°
C )を示すことが発

近年，メカニカルミリングによる非晶質化と微細結晶析出

見され注目されている(6)．特に Murugan らにより報告されを組み合わせた方法で合成される硫化物系結晶化ガラス

た Zr を含む Li7La3Zr2O12 は 25 °C で全イオン伝導度として 3(glass ceramics と称されている)においても高いリチウムイ

× 10－4 S ･ cm－1 という高い Li＋ 伝導性を示す(7) ．この固体

オ ン 伝 導 性 が 報 告 さ れ て い る(23) ． 例 え ば ， Mizuno ら は

電解質の粒界抵抗はバルク抵抗と同程度であり，金属リチウ

xLi2S ( 1 － x ) P2S5 ( x ＝ 0.7 )ガラスを 360 °C で熱処理すること

ムに対しても安定であることから，酸化物系固体電解質としにより，室温で 3.2×10－3 S･cm－1 なる高いリチウムイオンて有望である．実際に全固体型電池としての作動報告も多伝導性を示すことを報告した(24)(25)．この結晶化ガラス中にい(8)(11)．

生成する Li7P3S11 結晶中には， P2S74－ という架橋硫化物イ

また，窒素中で Li3PO4 をスパッタすることにより作製さオンが PS43－ イオンと同じ割合で含まれており，架橋硫化れる酸窒化物 LiPON は，イオン伝導度が 10－6 S･cm－1 台と物イオンをもたない Thio LISICON とは異なった構造とな低いものの，良質な薄膜が得やすく，Li負極，金属酸化物正っている(26)．

極に対して安定という利点をもつ．そのため，全固体型薄膜

これらの硫化物系固体電解質は，一般にリチウムイオン伝電池の電解質として広く用いられる(12)(16)．この LiPON を導度が酸化物系に比べ高く，粒界抵抗もほとんど問題となら

固体電解質とした全固体薄膜電池は市販された実績があり，ないが，化学的安定性では酸化物系に劣る．特に Li 負極とサイズは 1 インチ角 0.17 mm 厚，0.45 g で 40 mA の最大電の化学的両立性に難があるが，Li9.6P3S12 では金属 Li 負極で流，1 万サイクルで初期容量80の耐久性という仕様であっ

良好な充放電特性が報告されるなど改善されつつある(22)．

た．

酸化物，硫化物系に加えて近年水素化物系のリチウムイオ

硫化物系固体電解質は 1980 年ごろからガラス系を中心とン 伝 導 体 が 注 目 さ れ て い る ． 既 に 1979 年 に Boukamp として研究され(17)(18) ，最近では Thio LISICON と呼ばれる

Huggins は逆蛍石型構造を有する Li2NH において 3 × 10－4

一連の化合物群，リチウムイオン伝導性ガラスから準安定構

S･cm－1 のイオン伝導度を報告しているが(27)，電位窓が 0.7造の結晶を析出させた結晶化ガラスなど， 10－3 S ･ cm－1 半

V と小さく固体電解質への応用には適していなかった．一

方，2007年に Matsuo らは LiBH4 において115°
C以上で現れる高温相が高いリチウムイオン伝導を示すことを報告し
表1系

全固体型電池に適用可能なリチウムイオン伝導
体．
型・名称

化学式

s＋
Li ＠RT/
S･cm－1

文献

酸化物 ガーネット型 Li7La3Zr2O12(7)
3×10－4酸窒化物 LiPON
Li3.3PO3.8N0.22
2.4×10－6 (12)
硫化物 ThioLISICON Li3.25Ge0.25P0.75S4
2.2×10－3 (20)
硫化物 ThioLISICON Li10GeP2S12
1.2×10－2 (21)
硫化物 ThioLISICON Li9.54Si1.74P1.44S11.7Cl0.3 2.5×10－2 (22)
硫化物 Glass ceramics 70Li2S30P2S5
3.2×10－3 (24)
水素化物
(28)
LiBH4
3×10－3(＠120°C)
水素化物
3LiBH4LiI
1.2×10－4 (29), (30)
(＠40°
C)
水素化物
(34)
Li2(CB9H10)(CB11H12) 4×10－3

た(28) ． LiBH4 は斜方晶(低温相)から六方晶(高温相)への相転移により伝導度は 3 桁増加し， 120 °C で 3 × 10－3 S ･ cm－1
 その還元性に起因したの伝導度を示す．この材料の特徴は
 成形性の良さで優れた Li 金属負極との化学的両立性と，

ある．実際に，一軸加圧でプレス成形され Li 金属で挟まれたセルの複素インピーダンス解析ではバルク抵抗以外の粒界抵抗や電極電解質界面の抵抗はゼロとみなせる．また，
LiBH4 のバンドギャップは 7 eV と大きく，電子伝導性も無視できるほど小さい．また，高イオン伝導性の発現が115°C以上と高く LiBH4 自身を常温で利用することは困難である
が，Maekawa らは[BH4]－ の25を I－ で置換することで，室温まで高イオン伝導相が安定化され， 1.2 × 10－4 S ･ cm－1

特集

の伝導度が40°Cで得られることを報告した(29),(30)．この材料

た，薄膜作製プロセスの利用等により相互拡散を抑制したと系での新しい展開は巨大なホウ素クラスターの活用である．

しても，図に示すように固体電解質と酸化物正極とのバン[ BnHn ]2－ ( n ＝ 5 ～ 12 )は closo 構造(環状の意)を有し， n ＝

ドアライメント，化学ポテンシャルの相違により，界面に空10, 12はイオン半径が 3 Å(0.3 nm)に近い陰イオンとなるが，間電荷層が形成され界面抵抗を増大させる(39)．この問題に

Udovic ら は 常 温 で Li2(CB9H10)(CB11H12) が 4 × 10－3 S ･

関して Takada らは，正極粒子表面に緩衝層と呼ばれるイオ

cm－1， Na2( CB9H10)( CB11H12)が 6× 10－2 S･cm－1 と高いイ

ン伝導性無機化合物(LiNbO3 や Li4Ti5O12)をナノメートルオ

オン伝導度を示すと報告している(31)(34) ．また応用に関しーダの厚みで被覆することにより，固体電解質と正極間の界ては， Takahashi らは LiBH4 を固体電解質とした全固体型

面抵抗を低減できることを明らかにした(40)(41) ．例えば，電池の作製と 30回程度の充放電に成功している(35)．この電Thio LISICON の Li3.25Ge0.25P0.75S4 を固体電解質に用いた池では，還元剤となる LiBH4 と酸化物正極(LiCoO2)との界

全固体型電池において， LiCoO2 と固体電解質間に被覆層

面に 25 nm 程度の Li3PO4 を中間層として利用することで副LiNbO3 を設けることによって界面抵抗が低減され， 5 ～ 10反応の抑制がなされている(36)．LiBH

4 は Li 金属に対して熱力学的に安定である数少ない固体電解質の一つであり，柔らかい結晶であるため電極活物質との良好な界面形成も期待できる．一方，これまで主に研究されてきた酸化物系，硫化物
系固体電解質とは異なる特性(強還元性)をもつ固体電解質であり，正極材料との化学的両立性など未だ解明されていないことが多い．
図には以上述べた最新のリチウムイオン伝導体のイオン
伝導度の温度依存性を示す．硫化物系では現用の液体電解質
を超えるイオン伝導度が達成されており，また，他系でも薄膜化により全固体型電池に適用可能であることが理解される．


全固体型電池における界面制御

以上述べたように固体電解質のイオン伝導度は十分高い領域に達しているが，全固体型電池の実現には良好な電解質
電極界面形成というもう一つの課題がある．硫化物系固体電解質は正極材料 LiCoO2 に対しても完全に安定ではなく，図に示すように界面で相互拡散が起こるために LiCoO2 との間の界面抵抗が大きいことなどが報告されている(37)(38)．ま図1

近年開発されたリチウムイオン伝導体におけるイオン伝導度の温度依存性．

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan

図2

固体電解質( Li2S P2S5)と正極材料間の相互拡散による界面反応層．(Adapted with permission
from Ref. (38). Copyright (2010) American
Chemical Society.)

図3

固体電解質( b Li3PS4 )と正極材料( LiCoO2 )間の空間電荷層と緩衝層によるその低減．( Adaptedwith permission from Ref. (39). Copyright(2014) American Chemical Society.)1000 mAh g－1 以上の実容量が得られる．しかし，発生した
Li2O2 が触媒表面を覆うことによりそれ以上放電できなくな

る，充電時の過電圧が大きい，空気中の水分が有機電解液に溶け込み負極リチウムと反応するなど様々な課題が報告されている．これらの課題やカソード反応の複雑さは Aurbachの解説が詳しい(49) ．空気電池の他に，高容量正極候補材料
で あ る 硫 黄 を 用 い た リ チ ウ ム 硫 黄 電 池 も 提 唱 さ れ て いる(50) ． 硫 黄 は S ＋ 2Li＋ ＋ 2e－  Li2S の 反 応 に よ り ， 1672
mAh g－1 という従来の LiCoO2 正極の 10 倍もの理論容量をもつが，充放電に伴って生成する硫化リチウムが電解液に溶出する問題がある．近年，固体電解質を用いることでこの問題を解決しようとする取り組みが報告されている(51) ．また，多価イオン電池も注目されている．イオンの価数が n倍になれば，同じ数のイオンが動いた際に得られる容量は n
図4

微細化加工プロセスにより 3 次元構造化された
全固体型電池．(Adapted with permission from
Ref. (45). Copyright (2016) American Chemical
Society.)倍になる．マグネシウム電池は二価イオンであるマグネシウ
ムを可動イオンとする電池である．さらに，マグネシウムは
資 源 も 豊 富 で あ り コ ス ト 面 で も 有 利 で あ る ． 2000 年 に
Aurbach らはシェブレル相の MgxMo3S4 正極，Mg 負極と，
Mg ( AlCl2BuEt )2 を THF に溶かした電解液を用いて 1.2 V

mA cm－2 という高出力電流においても高容量が維持されvs. Mg2＋ / Mg 付 近 に 平 坦 部 を 示 す 充 放 電 挙 動 を 報 告た(42)．全固体型電池の試作において，この被覆技術は広くし(52),(53)，その後シェブレル相正極材料への Se 導入などで利用されているが，固体電解質と正極間のさらなる低抵抗界

容量改善を達成した(54) ．放電容量は MgxMo6 ( S, Se )8 式当面の構築は全固体型電池の実用化に向けた最大の課題と言えたり x＜1.9である．他のカソード材料としては Mg1.03Mn0.97

る．

SiO4 が 1.7 V 付近に平坦部を示し， 120 mAh / g という容量

全固体型電池の次元構造化を示すことが報告されている(55) ．また， 3 V 級の高電位を示 す カ ソ ー ド 材 料 と し て Ichitsubo ら は MgCo2O4, Mg0.67

全固体型電池のレート特性とエネルギー密度向上，さらにNi1.33O2 を報告している(56)．しかし，電解液の両立性の問題

は電子デバイスとの一体化を目的として，微細化加工技術をが，マグネシウム二次電池開発の律速となっている模様であ駆 使 し た全 固 体 型電 池 の 3 次 元 構造 化 も行 わ れ てい る ．

る．

Notten らは反応性イオンエッチングにより Si 基板に周期的な深いトレンチを刻み， Si 基板自身を負極，LiPON を固体.

まとめと展望電 解 質 ， LiCoO2 を 正 極 と し た 3D integrated 構 造 を 作 製
し，この構造では同一構造のキャパシタの 1000 倍以上の電リチウム二次電池をはじめとする蓄電池は社会の要請もあ荷を蓄積しうることを報告した(43)(44) ．最近， Talin らは図り，この 10 年間で急速な進歩を遂げている．特に，全固体

に示すような 3 次元ピラー構造の全固体型電池を報告し型二次電池では，固体電解質のイオン伝導度が液体電解質をた(45)．構成材料は固体電解質が LiPON，内側の正極材料が超え，これまで注目されてこなかった水素化物系でも高速イ

LiCoO2 ，外側に負極の Si と集電体の Cu となっている．充オン伝導体が見つかるなど大きなブレークスルーが起きてい放電には成功しているものの，材料の不均一性や局所的な電る．しかし，容量増大の観点からは電極材料にもそのような流密度の増加による LiCoO2 の低利用率のため所望の性能に

材料的観点からの大きな変化が望まれる．太陽電池の分野では達していない．

は有機無機ハイブリッド材料のように，新しい分子性イオンの活用により従来にない材料が生まれている．蓄電池の分.

次世代型二次電池の開発

野でも，無機材料の枠にとらわれない大胆な発想が必要とされていることは間違いない．

既存の材料系から離れ，さらなる高容量化のために様々な二次電池が研究されている(46)．空気中に含まれる酸素を正文献

極活物質として用いるリチウム空気電池では，正極活物質の酸素がセル内部に含まれていないため，正極の容量は無限となり，原理的に大容量電池となりうる(47)(48)．リチウム金
属負極，有機電解液，そして正極として触媒を担持するカー
ボ ン多孔質が 用いられる ． 2Li ＋ O2  Li2O2 の反応 により( 1 ) https://www.tesla.com/jp/gigafactory( 2 ) J. Janek and W. G. Zeier: Nature Energy, 1(2016), 1
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1667.

特

集

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State Ionics, 192(2011), 143147.
(31) T. J. Udovic, M. Matsuo, A. Unemoto, N. Verdal, V. Stavila,
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Chem. Commun., 50(2014), 37503752.
(32) T. J. Udovic, M. Matsuo, W. S. Tang, H. Wu, V. Stavila, A. V.
Soloninin, R. V. Skoryunov, O. A. Babanova, A. V. Skripov, J.
J. Rush, A. Unemoto, H. Takamura and S.I. Orimo: Adv.
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(33) W. S. Tang, A. Unemoto, W. Zhou, V. Stavila, M. Matsuo, H.

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia JapanWu, S.I. Orimo and T. J. Udovic: Energ. Environ. Sci., 8(2015), 36373645.
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A. Babanova, A. V. Skripov, M. Dimitrievska, V. Stavila, S.I.
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956.
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13331337.
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Fukuda, M. Osada and T. Sasaki: Electrochem Commun., 9(2007), 14861490.
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(44) L. Baggetto, R. A. H. Niessen, F. Roozeboom and P. H. L.
Notten: Adv. Funct. Mater., 18(2008), 10571066.
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727.
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Chusid and M. Brunelli: Adv. Mater., 19(2007), 42604267.
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(56) T. Ichitsubo, T. Adachi, S. Yagi and T. Doi: J. Mater. Chem.,
21(2011), 1176411772.
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
1993年 東北大学大学院工学研究科博士課程退学
1993年 東北大学工学部助手
2001年 東北大学大学院工学研究科助教授
現職
2011年 4 月専門分野固体イオニクス，機能性セラミックス◎イオン伝導体や混合導電体の開発とエネルギー変換
デバイスへの応用に従事．メンブレンリアクターや全固体リチウム二次電池の開発を中心に活動中．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
高村

仁




福島第一原子力発電所の廃止措置における材料技術の役割
鈴

木

俊

一

Reactor Pressure Vessel)を貫通して原子炉格納容器

.

は じ

め

に

(以下，PCV: Primary Containment Vessel)下部に溶
け落ちていると推定．また，下部に落ちた溶融デブリ

地震に伴う津波により福島第一原子力発電所事故が発生しは PCV 下 部 の コ ン ク リ ー ト と 反 応 ( 以 下 ， MCCI:て，ほぼ 6 年が経過した．同発電所では汚染水対策など種

Molten Corium Concrete Interaction)して，金属，セ々の課題に直面しながらも，廃炉に向けた取り組みが一歩一

ラミックス及びコンクリートが混在した材料が生成し歩着実に進められている．
本稿では，同発電所における事故後の安定化対策及び現在ていると評価．


2 号機事故時，水素爆発は生じなかったが，使用済

実施中の廃止措置の概要を解説するとともに，どのような材

燃料プールからの燃料取出し及び原子炉からの燃料デ料技術が今まで適応されてきたか，また今後どのような材料

ブリ取出しのため，既設の原子炉建屋上部を解体して技術が必要となるか，個人的な見解も交えて紹介する．

新たにカバーを設置することを計画中．実機データ，解析による結果，及び宇宙線ミュオンによる検知によ.

福島第一原子力発電所の事故概要と現状(1)り，燃料デブリは他号機とは異なりかなりの量がRPV 下部プレナムに残存しており，PCV 下部にも分散していると推定．

2011 年 3 月 11 日，東北地方太平洋沖地震により，福島第一原子力発電所(以下，1F)は冷却機能を喪失し，1 号機～4


3 号機事故時，水素爆発が生じた．使用済燃料プー号機は未曽有の原子力災害を生じた．このうち，炉心シュラ

ルからの燃料取り出しのため，原子炉建屋上部にカバ

ウド交換工事に伴い使用済燃料プールに燃料が保管されていーを設置するための作業を実施中．実機データ及び解た 4 号機では，震災後すべての燃料が使用済燃料プールか析結果により，一部は RPV 下部に残存しているもの

ら取り出されて，現在安定に保管されている．一方，1 号機，の，燃料デブリの多くは PCV 下部に溶け落ちている

2 号機，3 号機では炉心溶融を伴う大規模な損傷を生じ，使と推定．

用済燃料プールからの燃料取出し並びに溶融燃料取出しのための準備等廃炉作業が鋭意進められている．ここで，1F1 号
機～4 号機の現在の状況は以下のようである．


1 号機事故時，水素爆発が生じた．使用済燃料プー

4 号機事故時，3 号機で発生した水素が 4 号機に流

れこみ水素爆発が生じた．原子炉建屋外部にカバーを設置し，使用済燃料プールからの燃料取出しを 2013
年11月から開始し，2014年12月に完了．

ルからの燃料取出しのため，原子炉建屋上部へのカバ

長期間かかると予想される廃炉を促進するためには新たなー設置を準備中．実機データ， MAAP ・ SAMPSON

発想に基づく数多くの技術開発が必要である．具体的には，等の事故進展解析コードによる結果や，宇宙線ミュオ

国際廃炉研究開発機構(以下，IRID: International Research

ンによる建屋外からの燃料デブリ検知により，溶融し 原子炉建Institute for Nuclear Decommissioning)により，◯た 燃 料 の ほ と ん ど は 原 子 炉 圧 力 容 器 ( 以 下 ， RPV:PCV 補修・止水，◯
PCV 及び RPV 内部調査，
屋内除染，◯

東京大学大学院工学系研究科原子力国際専攻特任教授(〒1138656 東京都文京区本郷 731)
The Role of Material Research for Decommissioning of Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant; Shunichi Suzuki (Department of
Nuclear Engineering and Management, School of Engineering, The University of Tokyo, Tokyo)
Keywords: Fukushima Daiichi nuclear power plant, decommissioning, material research
2016年 9 月 6 日受理[doi:10.2320/materia.56.140]



特

集

 燃料デブリ性状把握，◯
 燃料デブリ臨界管理，◯
 燃料デブ◯ 燃料デブリ収納・移送・保管，◯
 固体廃棄物
リ取り出し，◯

が重要である．
人材育成


◯の処理・処分に関する研究等とともに， RPV / PCV の健全

数 10 年と長期にわたる廃止措置を見越し，個々の技術性評価が安定化のための研究として鋭意取り組まれている(2)．

のみではなく，俯瞰的な管理のできる人材を戦略的に養成

以下では，事故初期における 1F 安定化作業とその後の廃し，現場を初めとする廃止措置に投入していくことが極め止措置のうち，材料技術に関する実績及び課題を紹介する．

.

て重要である．

事故炉と通常炉の相違

.

1F 廃炉に必要な材料関連技術

主題に入る前に，先ず，事故炉と通常炉の廃止措置の違い

廃炉に必要な材料技術として先ずあげられるのは，廃炉全を認識する必要がある． 1F のような事故炉の廃炉の場合，工程を通じて建屋・構造物の機能を維持し，必要に応じて補数多くの廃止措置作業が相互に関連しており，ある個別技術

修を行うという設備保全に関する技術である．また，燃料デの枝葉的な詳細議論にこだわると不必要に時間がかかり，逆

ブリ取出しやその後の保管に関する技術も材料面からの寄与にリスクを高める結果となることが懸念される．米国スリー 原子炉建屋，燃料プールが期待されている．具体的には，◯

マイルアイランド(TMI: Three Mile Island)事故において

 PCV 止水技術(例，止水用グラウト
及び PCV 耐震評価，◯は，米国原子力規制庁は事前にリスクの本質を検討し，溶融 汚染水保管容器耐食性維持，◯
 燃料デブリの材
材開発)，◯

する燃料デブリを早く取り出すことが最大のリスク排除につ 燃料デブリ取出し用ツールの材料選料特性及び分布把握，◯ながると判断し，過度な規制要求を出すことによって大幅に

 臨界管理に必要な水質管理，◯
 取出し後の燃料デブリ
定，◯工程が遅延してしまうことがないように安全を最優先にしな 長期にわたる放射性廃棄物の管理などが相当す
長期保管，◯

がら規制案件を配慮したとのことである． TMI では原子炉る．また共通技術としては，遮蔽材，電子機器・カメラ・光内に燃料デブリがあり原子炉を貫通していなかったことや，ファイバー等耐放射線材料の開発や，損傷個所の検査技術等

水素爆発による建屋損傷と汚染拡大がなかったことなど，があげられる．但し，問題解決にあたっては，材料個別の課

1F の事象と大きな相違点がある．このため，1F 廃炉のよう題として対応するのではなく，構造，機器を含むシステム全な更に複雑な事象に対応するためには，個別の技術のリスク

体の課題として捉えることが重要である．例えば，高線量環というよりも，全体を俯瞰してトータルリスクを管理するこ境下で使う電子部品は耐放射線性に優れた材料の使用が望まとが極めて重要な鍵となる．ここで，事故炉( 1F )と通常炉

しいが，現場環境が現状仕様を大幅に超えて現実的な材料選の廃止措置との間には，以下のような大きな相違点がある(3)．

択ができない場合には，放射線感受性の低い既存技術を改良


◯


◯

時間との戦いする方法(例えば，半導体素子を使った高性能耐放射線カメ

最大のリスク要因である燃料や燃料デブリを取り出すまラではなく，撮像管を使用する手法(4))も選択肢の一つとなでの間，耐震評価を含め，塩水腐食，鉄筋腐食など時間依る．なお，電子機器に対する放射線の影響として，g 線照射

存型の材料劣化事象を考慮する必要がある．

試験により 1 Gy/hour の高放射線下でも100時間以上の動作

高放射線環境下の作業が可能なことが確認されている(5)．原子炉内のような更に高多くの作業が遠隔操作であり，高線量，狭い空間など現放射線領域では，電子制御よりも機械制御による遠隔操作が場に適応する遠隔ロボット技術が必要．但し，ロボット操

望ましく(液圧制御ロボットも開発中(6))，使用材料も要求ニ

作のためには足場作り，エリア確保など，作業者が事前にーズに合わせて選定する必要がある．

行う作業が多数あり，アクセスルートの除染は必須である．
◯

既設設備がほとんど利用できない
水素爆発や炉心損傷等により多くの機器が機能喪失しているため，状態を確認せずに設備を利用することができな
い．


◯


◯




腐食対策




震災後の腐食対策(7)地震に伴う津波により冷却機能が喪失し，炉心及び燃料プールを冷却する緊急措置として海水が注入されたため，各設

大量の放射性廃棄物

備 の 腐食 リ ス クが 顕 在化 し た ．ま た 3 号機 燃 料プ ー ル で

ほぼ全てが放射性廃棄物であり，多種多様な大量の廃棄は，崩落したコンクリート瓦礫により，プール水の pH が物をどのように保管，処理，処分するかなど，安全を最優

11.2に上昇したため，アルカリ化による Al 製燃料ラックの先にしながらも，合理的な処理・処分を考える必要がある．

腐食が懸念された．このため，弱酸であるホウ酸注入による

リスク管理

pH 緩衝が採用され，中和後には水質は pH 9 付近で安定し通常の原子炉と同様の廃止措置管理では危険である．例

た．震災後の比較的初期段階での燃料プール及び原子炉の腐えば，リスクのわずかな増大も許さない工事を行うと，結脱酸素，◯
塩分除去，
食抑制策としては水の冷却とともに，◯

果的にリスクの大きな増大を招く．また時間的な先送りが 微生物の殺菌が適宜適応された．注水への窒素バブルによ◯

リスク増大につながる．現場を中心とし，時間/空間/対象

り溶存酸素は低減され，また閉鎖系の PCV / RPV において

(放射性物質)を考慮した俯瞰的リスク管理を実施すること

は更に窒素ガス封入によって酸素の溶解が低減された．更

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japanに，ヒドラジン注入による方法も併せて採用された．ヒドラ軸を考慮して見極めた上で，安全確保が可能なクライテリア

ジンは脱酸素剤(N2H4＋ O2→ N2＋ H2O)としてボイラー設備を設定することが肝要であり，学協会の専門的意見を取り入や PWR プラントでの実績が豊富であり，また殺菌作用があれた検討が必要であると思う．

ることから，微生物対策に対しても有効である． TMI では油混入などによる水質悪化の結果，微生物(藻)が原子炉炉内



その他機器の耐食性評価

で繁殖して燃料デブリ検知に支障が生じ，1 年近く工程が遅上記以外として，汚染水処理設備の機器や保管容器の耐食延したとの苦い経験がある(8)．微生物の繁殖は当時米国では性評価，注水系配管の高流速環境下における流動腐食などが予期していなかった事象であったが， 1F においては近隣ダ

腐食評価として重要である．例えば，汚染水はゼオライト等

ムから冷却水を供給したこともあり，早期に対策が検討されを用いてセシウムなどの放射性物質を取り除き，容器に保管た．放射線の効果については，その後，日本原子力研究開発

されている．高濃度セシウム保管容器には多少の塩分を含む機構(以下，JAEA: Japan Atomic Energy Agency)により評水が残存しているため，容器材料である SUS316L の孔食や価され，放射線環境下ではヒドラジンはより高い脱酸素効果

応力腐食割れが懸念された．JAEA は，放射線環境下での腐を示すことが確認された(9)．なお，ヒドラジンは高温で熱分食試験を実施し，容器に内包されているセシウム吸着材のゼ解が生じて水素が発生することや，解離により pH が上昇しオライトが鉄の腐食電位を自然電位よりも低下させ，海水塩

スケール障害が生じるリスクが想定されたため，水温の低下

分による容器腐食を発生しにくくすることを見出した(10) ．

が確認されてから，順に使用済燃料プール，原子炉系へと注

この結果は，容器構造材と内包される機能材との接触も重要入された．

な材料評価項目であることを示唆している．

205°
C超3N2H4 → 4NH3＋N2
350°
C超2N2H4 → 2NH3＋N2＋H2



冠水のための補修材開発(2)また使用済燃料プールでは，塩化物イオン濃度を 10 ppm

前述のように冠水工法は理想的な工法であるが，水張前に 油分や程度まで低減するため，モバイル型装置を用いて，◯は PCV 漏えい個所の特定と補修が必要となる．PCV 下部止 RO (逆浸透膜)/ED (電気透析)によ
放射性物質等の除去，◯

水のためには，汚染水中にある大型構造物(例，直径約 10 m

 イオン交換樹脂による水質改善が行われた．原子る浄化，◯のドーナツ状タンクでリング外径約 30 m の圧力抑制室( S/

炉系については水処理設備を通じて同様に塩分除去が行われ

C: Suppression Chamber))から，小さな漏えい部(合計約 5ており，現状は約数百 ppb と地下水レベルまで低減していcm 径程度)を検知し，更に高濃度汚染水中で補修する必要る．

があり，技術的に極めて高い困難が予想される．このため以上，腐食対策について述べたが，対策技術の長所と短所

IRID では， PCV 下部と S / C とを繋ぐ直径約 2 m のベントを熟慮した上で，段階を踏んで実機に適用されてきている．

管内に遠隔操作でグラウトを注入するなどの工法で，新たな水バウンダリーを S / C よりも上流側で構築することを計画




PCV

等構造物健全性評価(2)している．ここで燃料デブリ(現在約 100 kW /基と推定)の

今後の原子炉建屋及び PCV の機能維持を継続するために冷却を目的として， 1 プラントあたり 1 日約 100 ton の水がは，将来起こるかもしれない地震を想定した耐震評価が求め注入されているため，グラウトは流水条件下で固化する必要られるが，長期健全性評価にあたっては，事故直後に高温履があり，新たな水中不分離コンクリートが開発されている．

歴を受けその後再冠水されたコンクリート部材の強度変化やまた PCV 上部には電気ケーブル等を通すための貫通部が数

海水による鉄筋腐食，並びに原子炉系主要配管材である炭素

百ある他，定期検査時に作業員や機器が入れる大型ハッチが鋼の腐食減肉を考慮に入れる必要がある．燃料デブリを冠水ある．これらにはシール材として高分子材料が使われている

させた状態で取り出す方法は，周辺環境並びに作業員への被ため，事故時に高温となり損傷した可能性が高い．このため曝低減の観点から確実な工法である．但し，冠水に伴い水重上部冠水のためには，被曝を極力低減可能な簡易的補修技術

量が増加することや，その後の作業である燃料デブリ取出し(例，グラウト封入や遠隔溶接技術)が必要となる．

のための重機や放射性物質飛散防止用セルの設置等により，建屋・構造物への負荷が増加する．また取出し前には，

燃料デブリ特性評価(2)(11)

PCV や RPV の蓋を開け系統が開放されるため，大気中の燃料デブリを取り出すためには，先ず生成物の基本特性を酸素が系統内に侵入する可能性もある．ここで，損傷を受け理解することが重要である．燃料棒は二酸化ウラン製の燃料た建屋・構造物の評価に対して，十分に保守性のある現行許ペレットとそれを収納するジルカロイ 2 製の燃料被覆管か容基準を適用することが適切であるかどうかには議論の余地ら構成される．燃料被覆管は 8 × 8 本や 9 × 9 本の束となっがある．何故ならば，過度に保守的な条件を満たすために技て ジ ルカ ロ イ 4 製 の チャ ン ネ ルボ ッ ク スに 収 納さ れ て お

術的難易度の高い補修作業を行うことは，作業の長期化ととり，中央部には水が流れるウォーターロッドが配置されていもに，多くの作業員被曝を生じる恐れがあるなど，トータル

る．チャンネルボックス 4 体の中央には核反応を制御する

で見ると逆にリスクが高くなる可能性があるためである．こ十字型の制御棒が挿入される．十字型の翼であるステンレスのような課題に対しては，構造物の許容状態とは何かを時間

製の制御棒ブレードには，中性子吸収材である粉末状ボロン



特

集

B4C がステンレス製チューブに収納されて並べて配置されてが燃料デブリに含まれたかどうかは燃料デブリの長期保管にいる．事故により冷却が失われ高温になるとまず約800°
Cで重要な情報となる．高野ら(12)は，海水中の塩素イオンは事

被覆管が破裂し，約 1200 °
C で被覆管が急速酸化，約 1250 °C

故高温時に塩素として蒸発し，海水残留成分のマグネシウム

で制御棒が内部の B4C とステンレスの共晶反応を伴い溶やカルシウムは燃料デブリに溶け込んで硬度を上昇させる一融，約 1500 °C で燃料の溶融が開始する． 2000 °C 近くなると因になると推定している．この例はまさに事故により生成し燃料溶融が急速に速まり，溶けた燃料は RPV 底部へと移動た材料(組成・成分)が燃料デブリ取出しのみならず，収納・し，炉内の構造物であるステンレス鋼，ニッケルや RPV 材

保管にまで幅広く影響することを示唆しており，今後も継続の低合金鋼などと反応する．制御棒や炉内計装用管は原子炉して幅広くデータを取得し，事象の理解を深めることが，材の下から挿入されているため，落下した燃料デブリはこれら料専門家に求められている．

の管あるいは RPV と管との溶接部を溶かして RPV を貫通し，PCV 底部へと流れ落ちると推定されている．PCV 底部

燃料デブリ収納缶(2)に落ちた燃料デブリはコンクリートと反応し，CO2, H2 等ガ取出した燃料デブリを保管する収納缶に求められる安全機

スを出しながらコンクリートを浸食する．このように，温度 自然放熱等による除熱，◯
 軽量化，◯
 遮蔽，◯
 気密
能は，◯上昇とともに種々の材料による溶融が生じて拡散・移動す 形状管理等による未臨界維持，◯

性向上による閉じ込め，◯る．ここで燃料デブリの主成分は U Zr O の固液二層であ 防食，◯
 火災等の防災である．このうち，
水素発生抑制，◯るが，拡がりを含めた流動挙動を把握することは，事故進展

防食管理と水素管理については，燃料デブリ収納後にどれだを評価する上で重要なだけではなく，将来の取出しに必要なけ含有水を乾燥できるかがポイントとなる．防食技術の他，

燃料デブリの位置推定，更には取出し後のデブリ成分推定に高性能水素触媒の開発も必要となる．

も極めて重要な示唆を与える．燃料デブリの溶融・凝固を伴う流動は，温度，相変態，粘性，表面張力など複雑に絡み合

放射性廃棄物の処理・処分(2)った数多くの因子の影響を受けるが，これはまさに鉄冶金に操業廃棄物は，基本的な廃棄物性状に係わる情報は把握さおいて培われてきた溶融金属流動評価が参考となる領域であれており，比較的管理された状態にある．一方，福島第一事

る．また粒子法による流れ解析も，高粘性材の流体挙動評価

故廃棄物は，種類，量，物理的・化学的特性など多くの不確をする上で有望なシミュレーション技術である．材料と流体実性があるため，インベントリーの把握とともに，いかに廃の評価が融合すれば，材料から流れ，流れから材料を推定で棄物を安定化するかが重要な開発要素となる．長期的な安定

き，例えば，数個所のサンプリング調査で得られた材料組成化の観点からは，コンクリート固化技術，ガラス固化技術，の情報から流れを推定して，他の箇所の材料組成を推定する

防食技術などの材料関連技術が重要である．

ことも理想的には可能となるだろう．材料流体ハイブリッ
ド評価技術が進歩すると一つ一つが複雑で手間のかかる高線

.

燃料デブリ取出しに向けて考慮すべき視点(2)

量下作業を大幅に簡略化することができ，取出・保管を含めた廃炉の加速化に対して大きな貢献が期待される．また燃料

燃料デブリを取出すためには，以下の視点が重要である．

デブリ取出しにあたっては，燃料デブリの物理的・化学的特性の他，硬さ・靭性などの機械的特性を把握することも重要

1F における燃料デブリ取出し作業は，TMI2 と比較である．事前にこれらの情報を推定するため，IRID 研究として一層の困難が予想される．作業全体戦略，取出し

して JAEA は模擬デブリを作製し各種データを取得してい工法，デブリ取出しツールの開発，廃棄物対策についる．その結果，硬さについては( Fe, Cr, Ni )2( Zr, U )等の金ては，学問領域を越えて国内外の叡智を結集する必要

属では約 10 GPa 以下，( U, Zr ) O2, ( Zr, U, Ca ) O2 等の酸化物 で は 約 15 GPa 以 下 ， 制 御 材 の ホ ウ 化 物 ZrB2 で は 約 20

がある．



燃料デブリ取出し達成のためには，腐食評価も含め，

GPa 以下となった．このように，燃料デブリ取出し治具の関連する各プロジェクトの目的・ゴールを明確にした設計では，高硬度材や延性材が不均一に多数混在している点

上で，部分最適ではなく全体最適となるように計画
し，柔軟に技術開発を行う必要がある．

を考慮にいれた上で材料選定を行う必要がある．また単に硬さのみならず，取出し速度や切削時の粉塵の舞い上がり，水

戦略の策定にあたっては， End State (最終的にどう

中・気中施工の可能性などの評価も重要である．特に燃料デしたいか)を考え，実現可能な様々なオプションを検

ブリ粉塵の舞い上がりは，作業中の放射性物質閉じ込めに対討し，その結果，第一案だけでなく必ず代替案を準備し最も考慮すべき事象であり，レーザを含む熱的手法を選択しておくことが重要である．

した場合には粉塵防止策を慎重に検討する必要がある．
その他，燃料デブリの熱力学的特性，海水塩と燃料デブリ

材料はすべての基本であり，上記視点を踏まえ，廃炉のニとの高温反応，核反応抑制材の Gd の分布状況，MCCI 生成

ーズと材料シーズを適切にマッチングすることが肝要である．

物の材料特性評価など，取出しのみならず，その後の保管も見据えたデータ整備が必要である．このうち事故時に海水塩

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Materia Japan




.

おわりに

―材料技術への期待―

通常のプラント建設や運転・保守の分野では定常問題をいかにうまく解くかが鍵だが，廃炉は時間とともに状況が変わる，いわば非定常の課題である．どのようにして不確実性のある将来事象を予想し，そのリスクに対処するのか．真に重要な本筋(幹)はどこにあるのかを熟考し，安全かつ確実な方
法で廃炉を行うことが極めて重要である．
最近本質的な問題を解決するための手法として有効であると 思 っ て い る の が ， 仮 説 指 向 計 画 法 ( Discovery Driven
Planning)である．アプローチとしては，まず目標を明確にした上で，何を行えばその目標が達成できるかを考え，可能性のある仮説をたてる．次にどのようにしたら，その仮説が正しいと判断できるか，検証できる計画をたてる．最後に計画を次々と実行に移す．これを繰り返すことにより，不確実性のある事象の対応を含めた複数の案が浮かび上がるとともに，真に重要な本筋(幹)はどこにあるのかがより明確になるという概念だ．本質的に確率的な現象である腐食等材料評価にはリスク評価の概念が必要であり，腐食影響のある設備信頼性評価としては，ベイズ統計等確率的手法が導入されている．リスク評価を行うためには統計的確率，頻度の推定，損

文

献( 1 ) 経済産業省ホームページ，廃止措置に向けた取り組み．
( 2 ) 平成 26 年度技術研究組合国際廃炉研究開発機構シンポジウム「廃炉への道」を切り拓く，2014年 7 月18日．
( 3 ) 岡本孝司，英知を結集した原子力科学技術・人材育成事業廃止措置研究・人材育成等強化プログラム，第 1 回東京大学人
材育成セミナー，2014年12月11日．
( 4 ) 燃料デブリ取り出し代替工法に関する概念検討事業等の中間報告(平成27年 1 月29日資源エネルギー庁)．
( 5 ) ｢汎用重機やロボットにおける耐放射線評価と管理方法の基本
的な考え方」，対災害ロボティクス・タスクフォース，2011年
4 月27日．
( 6 ) IRID シ ン ポ ジ ウ ム 2016 in 東 京 ～ 廃 炉 の 未 来 を 担 う ～ ，
2016年 8 月 4 日．
( 7 ) 深谷祐一，熊谷克彦東北大学原子炉廃止措置事業 平成 27
年度第 1 回専門家会議資料，2015年 6 月．
( 8 ) C. Negin: IAEA International Experts' Meeting Decommissioning and Remediation after a Nuclear Accident, 28 January
1 February (2013).
( 9 ) 本岡隆文，佐藤智徳，山本正弘日本原子力学会和文論文誌，
11(2012), 249254.
(10) I. Yamagishi, et. al.: Journal of Nuclear Science and Technology, 51(2014), 10441053.
(11) P. Hofmann: Journal of Nuclear Materials, 270(1999), 194
211.
(12) M. Takano and T. Nishi: Journal of Nuclear Materials, 443(2013), 32
39.

失の重篤さを定める必要があるが，いかにして想定外を想定するのかとのパラドックスがいつもついてまわる．将来が読略語めない不確実性の高い現象(社会)を完全に予測することは確かに困難である．但し，将来何が起こりそうかをよく考えて，あらかじめ何らかの備えをしておくことはできるだろ( 1 ) MAAP(Modular Accident Analysis Program)( 2 ) SAMPSON(Severe Accident analysis code with Mechanistic,
Parallelized Simulations Oriented towards Nuclear fields)

う．即ち，影響度合いが大きいと思われる不確実な事象を徹底的に洗い出し，それをモニタリングすることによって仮定の検証をしっかり行う必要があり，社会的影響の大きな材料
評価や材料開発には，まさにこういった姿勢が重要であると強く感じている．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
1957年 3 月 東京大学工学部金属工学科卒
株1957年 4 月～2015年 3 月 東京電力
この間，1988年10月～1990年 9 月 MIT 原子炉研究所客員研究員
2009年 4 月～2015年 3 月 東北大学客員教授
2013年 8 月～2015年 3 月 (兼任)国際廃炉研究開発機構
2015年 4 月現職
鈴木俊一
専門分野原子炉材料寿命評価，廃止措置全般◎東日本大震災以前は，SCC 等環境助長割れなどの電力設備材料に関する寿命評価研究に従事．震災以後は，福島第一原子力発電所廃炉に関する研究開発に従事．現在は廃炉基盤研究とともに廃炉人材育成を中心に活動．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★



特

集

耐熱金属材料の最近の動向と今後の展望
竹

山

雅

夫

は発電効率の高い設備の導入を義務づける動きがあり，資源

.

は じ

め

に

エネルギー庁が発表したロードマップにも，次世代高効率火力発電における技術開発が明確にうたわれている(図)(2)．

耐熱金属材料は，エネルギー，環境，経済( 3E )，安全安
心，持続可能な社会の構築( 2S )これらに全て深く関わる非この実現には，耐熱材料の高温化，高強度化が鍵を握ることはいうまでもない．

常に重要な材料である．現在我国の総発電量の約 9 割は火耐熱材料の中のもう一方の柱は航空機エンジン用材料であ力発電で賄われている(1) ．昨年政府が公表した 2030 年におる．現在，世界では約20,000機の航空機が飛行しているが，ける我国の電源構成(ベストミックス)は，再生可能エネルギ

2030 年には 40,000 機になると予想されている(3) ．すなわちー 22 ～ 24 ，原子力 20 ～ 22 ，火力 56 (石炭 26 ， LNG

ジ ェ ット エ ン ジン は 今後 新 た に 4 万 台 が製 造 され ， さ ら

27，石油 3)である．この電源構成を基に，我国におけに，現用のエンジンの約 7 割がリプレースされる予定であ

る温暖化ガス排出量を 2030年までに 2013年比で 26削減する．したがって，世界では，新たな高効率エンジンの開発がるという目標を発表した．すなわち温暖化ガス総排出量を約行われており，そのためには発電プラント用材料と同様，材15 億トンから約 4 億トン削減する必要がある．この電源構料の高温化，軽量高強度化が求められる．我国でも， 2014

成は，東日本大震災(以降は震災)前と比較すると，火力の割年から始まった国家プロジェクト， SIP (戦略的イノベーシ

合は変わらず，原子力の割合(震災前は約 30 )を下げ，そョン創造プログラム)において，重要課題として「革新的構の分を再生可能エネルギー(震災前は約 10 )で補うという造材料」が取り上げられ，その重要研究開発項目としてジェものである．ここで，再生可能エネルギーの中身は，約半分

ットエンジン材料を中心とした「耐熱材料・金属間化合物」

が水力(揚水)発電であり，風力や太陽光などの自然エネルギ

が物材機構及び東工大を中心として行われている(4)．

ーが 9(震災前は 1)，残りはバイオマスや地熱である．

著者は現在，過去 60 年に渡って日本の耐熱金属材料を牽

低炭素化社会を実現する上において，原子力及び自然エネル

独 日本学術振興会耐熱金属材料第 123 委員会(産引してきた

ギーの割合を増やすのは多いに結構である．しかし，資源の学協力委員会)の委員長を務めており，当委員会では， 4 つ

乏しい我国が国際競争力を維持するためには，エネルギーのの分科会耐熱鋼，超合金，先進耐熱材料・プロセス，耐環安定供給による経済発展は不可避であり，現在の社会情勢を

境特性，をもって耐熱材料の発展に貢献している(5)．本稿で考えるとそれを原子力に求めるのは厳しいといわざるを得な

は 最 近 123 委 員 会 が 主 催 し た 2 つ の 国 際 会 議 「 Advanced

い．また，自然環境に左右される自然エネルギーはたとえそHighTemperature Materials Technology for Sustainableの目標が達成出来たとしてもエネルギーの安定供給源とはな

and Reliable Power Engineering (123HiMAT2015))(6)及びりえない．ベースロード電源の主役は間違いなく火力であ「5th International Workshop on Titanium Aluminides

る．しかし，火力発電は化石燃料を熱源とするため温暖化ガ(IWTA 2016Tokyo))(7)を中心に，最近欧米で開催された

スの排出量が高い．したがって，低炭素化社会の実現とエネ

耐熱材料の国際会議(Euro Superalloys 2014, Superalloys

ルギーの安定供給を両立させるには，発電技術の高効率化は

2016, EPRI 2016 (8th Int. Conf. on Advances in Materials

喫緊の課題となる．中でも，排出量が多い石炭火力の新設にTechnology for Fossil Power Plants))をも踏まえ，4 つの分

東京工業大学物質理工学院材料系教授(〒1528552 東京都目黒区大岡山 212
1，S88)
Recent Trends and Future Prospects on Heat Resistant Metallic Materials; Masao Takeyama(Department of Materials Science andEngineering, School of Materials and Chemical Technology, Tokyo)
Keywords: steam power plant, jet engine, ferritic heatresistant steels, austenitic heatresistant steels, superalloys, advanced heatresistantmaterials, environmentalresistant properties, laves phases, TCP phases, TiAl, intermetallics
2016年12月12日受理[doi:10.2320/materia.56.145]

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Materia Japan




図1

2030 年頃までに技術の確立が見込まれる次世代火力発電技術．

図2

我国の火力発電の蒸気温度のこれまでの変遷と将来への取り組み．

イト系耐熱鋼は USC プラントでは主要な材料であり，今後科会の分野に沿って著者等の最近の研究も含めて耐熱金属材の更なる長時間クリープデータの蓄積が必要となる．また，料の現状と今後の動向について述べる．

この材料の耐用温度を650°
Cまで上昇させる研究も行われて
いる．

. 耐

熱

鋼

その他のフェライト系耐熱鋼としては，マルテンサイト変態が生じない g ループの外側まで Cr 濃度を高め， Laves 相

耐熱鋼分野の研究の中心は，フェライト系及びオーステナなどの TCP(Topologically closepacked )型金属間化合物を

イト系共に，火力発電の耐用温度の上昇に耐え得る材料開発

強化相とする鋼(6) ，また， ODS に関する研究も行われておと信頼性(寿命予測)の向上である．我国の火力発電材料の技り(6)，今後の展開が期待される．

術は世界最高であり，磯子の超々臨界圧( USC )発電所の蒸気温度は 620°
C ，発電効率は 43に達している(図)．この

オーステナイト系耐熱鋼

社会の安全装置であり電力の安定供給の主役である火力発電

オーステナイト系耐熱鋼の研究は，AUSC のボイラへのの発電効率の更なる向上に向けて種々の取組みが行われてい適用を目指した高強度化に関する研究が主である．従来のオ 再々加熱技術(Double Reる
heat Technology)の適用，

ーステナイト系耐熱鋼は炭化物を強化相とし， USC 発電プ

 需要変動に対応する運転自由度( Operation Flexibility )の

ラントの熱交換器用チューブに利用されている．しかし，

 蒸気温度の高温化(700° は，高圧タービ
確保，
C以上)．

700°
C級の AUSC になると，Cu を添加した鋼や低熱膨張型

ンから排出される蒸気をボイラで再加熱して中圧タービンにの合金開発等の展開はあるものの，既存の材料も含めて，い は，欧州のように風力発
導入し，発電効率の向上を図る．

ずれも要求される強度( 10 万時間クリープ破断強度＞ 100電をベースとして，気象条件の変化による電力変動に瞬時にMPa)が足りない．したがって，現状は GCP(Geometrically

対応できる運転自由度の高い火力発電プラントの開発であ)を強化相とする Ni
close packed )型金属間化合物 Ni3Al ( g ′り，クリープ特性に加えて低サイクル疲労特性の向上が求め

基合金を中心に候補材の開発が進められている(図)(9)．

 は，蒸気温度700°られる．
C以上とする先進超々臨界圧発電プラント(A USC )の実現に向けた材料開発が日，米，欧で行われ，我国では実用化に向けた実証試験が行われている(8)．また，最近では，800°
C級の火力発電に適用可能な材料開発も行われている(図 2)(9)．


フェライト系耐熱鋼

蒸気温度 620 °C 以下の超々臨界圧( USC )発電プラントでは，火炉(ボイラー)の主蒸気管及びタービン部材に高 Cr フ
ェライト系耐熱鋼が使われるが，この材料は数万時間使用するとクリープ破断強度が低下するいわゆる「腰折れ」が生じる．また，この鋼では，溶接部においてクリープ破断強度が母材に比べて約 1 オーダー低下するという問題(Type IV 破壊)も抱えている．したがって，クリープ強度低下や Type
IV 破壊のメカニズム解明，寿命を管理するためのクリープ損傷評価に関する研究が盛んに行われている．高 Cr フェラ



図3

A USC 用の候補材 Fe 基及び Ni 基合金の 800 °Cにおける応力/破断時間曲線．

特集有するオーステナイト鋼が開発されれば，コスト面でも計り知れないメリットがある．チューブへの成型も確認出来ており，今後実用化に向けた大型化や溶接性等の要素技術研究成果が期待される．
この Laves 相と同様の TCP 相である FeCr s 相の粒界析
出強化を利用して新たなオーステナイト系耐熱鋼の設計指導
原 理 の 構 築 も 行 わ れ て い る(17)(18) ． 最 近 欧 州 で も Power
Austenite と称して s 相を強化相とする新たな材料開発研究(Fe(2533)Cr(2238)NiSiMoNbBNC)が行われ，長時間使用下において優れた耐酸化・耐食特性を有するとの報告がなされている(19)．TCP 相はこれまで有害相と見なされ，材料設計においては避けられてきたが，今後この相を積極的に利用した新たな展開が起きる可能性は十分にある．

. Ni 基 超 合 金
図4

新たに提案された金属間化合物強化型オーステ
ナイト系耐熱鋼の Fe2Nb Laves ( TCP )相による粒界被覆率 r とクリープ抵抗との関係．

Ni 基合金の材料開発研究は大半が先に述べた A USC 発電プラント用及び地上用ガスタービン材料に関連したものであり，航空機用の材料については次節で述べる TiAl 基合金を除けば大半はコーティングの研究である．また，最近は

ところが，最近のオーステナイト系において最も注目すべ
きは， TCP 型金属間化合物 Laves 相( Fe2Nb )を強化相に用3D プリンターの登場もあり，材料開発の研究よりは成型プ

ロセス技術に関する研究が圧倒的に多い．

いる新たなオーステナイト系耐熱鋼の研究である(5)(10)(11)．

700°
C 級 A USC ボイラー材では，図 3 に示す候補材であ

著者等によって構築された組織設計指導原理に基づいて提案

る HR6W, Alloy263 Haynes282, Alloy617 及び USC141 のされたモデル鋼(Fe20Cr30Ni2Nb(at))は700°C級の A

クリープ特性に及ぼす組織，微量合金元素，予ひずみの影

USC に要求されるクリープ破断強度を十分満たす優れた強響，低サイクル疲労特性評価，強化因子や再熱割れに関する度特性を有し(9)(12) ，また，その指導原理を応用して組織設研究の他，配管厚肉部材への適用を念頭に置いたインゴット

計した 800 °C 級の鋼( Fe 20Cr 35Ni 2.5Nb (at ))は， Ni 基

製造や大径管の試作，母材/溶接金属の低サイクル疲労挙動

合 金 Alloy 617 に 匹 敵 す る ク リ ー プ 破 断 強 度 を 有 す る等，ボイラー材としてのプロセス要素技術に関する研究が行(図 3)(9)．

われている．また，長時間クリープ挙動に関するデータベー

この新たな化合物強化型オーステナイト系耐熱鋼は TCP

スの構築に関する研究も行われている．一方，AUSC のタ相と GCP 相の 2 種類の金属間化合物の析出を利用し，優れービン側については， Alloy 617 及び 800 °C 級として開発さた短時間での時効硬化性は粒内に短時間で整合析出するれた USC800 などローター材の組織特性および機械特性に

GCP 相( Ni3Nb )により，また，その優れた長時間クリープ

関する研究が行われている．

破断強度は結晶粒界に優先的に析出する平衡相 TCP Fe2Nb

ガスタービン材料の研究の主流は，タービン温度の向上を

Laves 相によって大半の粒界が被覆されることによる粒界析

目指した高圧タービン動翼( HPT )のコーティングが中心で出強化(Grainboundary Precipitation Strengthening: GBPS)

ある．1700°
C級ガスタービンの HPT 動翼の熱サイクル疲労によって得られる(10)(14)．

による遮熱コーティング材( TBC )の剥離寿命の評価，耐GBPS の基礎的な強化機構は，図に示すように，鋼のク

食・耐酸化コーティングやアルミナイズ処理を施した際の母リープ速度 ·e が Laves 相による粒界被覆率 r の増加に伴い

材/コーティング材界面の組織形態と剥離との関係，コーテ

次式 ·e ＝ ·e0 ( 1 － r )( ·e0 は被覆率 r ＝ 0 の時のクリープ速度)のィング材そのものの高温安定性，低熱伝導率，難焼結性など関係を持って減少する，というものである．この強化機構のの研究報告が主である．また，ディスク材としては，ディス

特徴は，その強化の効果が被覆率 50 程度では不十分であクの大型化に向けた鋳造性，相安定性及び鍛造プロセスの最り， 80 以上になって著しく顕在化することにある．すな

適化に関する研究が行われている．

わち被覆率が 90 から 99 になると ·e は 1 オーダーも減少

航空機用の動翼に関しては，コーティング材にき裂が生じする．なお，この鋼の引張延性は，粒界の 9 割程度が Laves

るとそれが母材まで貫通することが問題となっており，クラ相で被覆されても，室温において 20 以上，高温クリープ

ック先端におけるメタル/スケール界面の応力解析などその下においても 50 以上を有することが実証されている．まメカニズムの解明に向けた研究が盛んに行われている．また，この鋼は， 800 °C においても Ni 基合金と同程度の優れた，最近では砂漠の上空を飛行するとエンジンに砂が取り込た耐水蒸気酸化性を有する(3)(15)(16)．

まれ，それによって溶融塩腐食が生じ，遮熱コーティング材

前述したように，現在 A USC の候補材は Ni 基合金を中心に開発が進められているが， Ni 基合金に匹敵する強度を

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japanの 損 傷 要 因 と な る CMAS ( Calcia Magnesia Alumina Silicate)の研究も盛んである．




図5

レーザー削摩により構築した Laves 相強化型オーステナイト系耐熱鋼の 3 次元像(左)とその粒界の Laves 相のみを抽出した 3 次元像(右)．

ディスク材に関しては，これまでは疲労特性が重要であったが，最近のエンジンの高温化にともなって，クリープ/疲
労の重畳効果に関する研究がより重要となる．
もう一つ注目すべきは，合金粉末を利用した 3 次元積層
造形( additive manufacturing )法による製造プロセス，いわ図6

Ti Al M 3 元系合金に現われる特有な相変態経路( b → b ＋ a → a → a ＋ g → b ＋ a2 ＋ g )を示す Ti 
42AlM の縦断面図およびその相変態を用いて得られる組織の模式図．

ゆる 3D プリンターである．この造形手法は，冷却孔が内部に組込まれる動翼など，複雑形状部品の成型には非常に有効であり，今後この製造プロセスは間違いなく成長する．しかし，現状，形は出来ても特性が出ないという問題があり，成飛行を始めた．
ところで，この熱間鍛造性と靭性を同時に付与する鍛造

型性のみならず，組織制御や特性に及ぼす組織・組成の影響

TiAl 基合金の開発は，著者らが 20年以上前に公表した組織など，基礎的な研究が今後盛んになる．

設計指導原理を欧州の研究者と企業がいち早く取り入れて実

この分野での最近の流行は組織の 3 次元観察と解析であ現したものである(21)(24) ．その原理とは，図に示すようる．放射光や中性子線を用いて材料内部の広い範囲の組織をに， TiAlM (M  bTi 安定化元素) 3 元系特有の相変態経

3 次元にて解析し，組織形成過程や損傷を引き起こす組織の路( b → b ＋ a → a → a ＋ g→ b＋ a2＋ g)を利用する．すなわち，解明に関する研究が行われている．また，最近， Pollock ら

M 元素を添加すると，その種類によらず高温側および低温

はフェムトセカンドレーザを用いた TriBeam トモグラフィ側にて熱力学的に安定な b 相が存在し，中間の温度域ではーという新規な手法を用いて数百 mm オーダーの三次元組織

不安定になる組成域が生じる(図中のバンド域)．熱間鍛造は解析を行っている(20)．図は，前述した Laves 相強化型オ

高温側の b 相( b ＋ a 2 相領域)を利用して行う．その後の冷ーステナイト系耐熱鋼に TriBeam トモグラフィーを適用

却過程において b → a 変態にて b 相を消失させ，その後 a →し，粒界に析出した Laves 相のみを抽出した 3 次元組織のa ＋ g 変態にて組織をラメラ化する．その後，低温側にて b

一例である． FIB による方法はその解析範囲がせいぜい 10相が安定に存在する領域にて時効し，b 相をラメラ粒界およ

数 mm に限られるが，広範囲な 3 次元組織解析は結晶粒全びラメラ界面に析出させるというものである．

体がどのように変形するか，また，内部欠陥によってき裂がTiAl 基合金は比重が Ni 基合金の約半分であるため，そのどのように進展するかを可視化することにより，組織と特性用途の拡大は燃費の向上につながる．したがって，この合金の関係をより深く理解する上において今後ますます重要となの研究は，成型性のプロセス技術に加えて，耐用温度の向上

り，発展する分野である．

に向けた組織設計，クリープ/疲労特性，損傷許容応力の向上に力点が置かれることになる．特に重要なのが材料設計の.

先進耐熱材料・プロセス基礎となる状態図である．現在市販されている状態図計算のためのデータベース(DB)は20年前から更新されておらず，

この分野で現在最もホットな研究対象は TiAl 基合金であ信頼性に欠ける．また，損傷許容応力すなわちき裂進展特性

る．Leap X, GE9X など今後開発される新型エンジンには全の評価も大変重要になる．文献は散見されるものの，3 点まて TiAl の 導 入 が 予 定 さ れ て い る ． 鋳 造 TiAl 基 合 金 ( Ti 

げ試験や予き裂を導入していないなど，その方法はまちまち

48Al 2Nb 2Cr ( at ))は既に GEnx エンジンの低圧タービ

であり，信頼できるデータがない．現在我々は，SIP プロジン( LPT )ブレードの最終段とその前段に使用され， 2012 年

ェクトにて 2020年代での実機搭載を目標に， LPT のより高から B787 型機にて商用飛行を開始しているが，2016年 1 月

段側および高圧圧縮機( HPC )翼への適用が可能な高性能には鍛造 TiAl 基合金( TNM: Ti 43Al 4Nb 1Mo B ( at ))

TiAl 基合金の組織設計および製造プロセス要素技術開発研がギアードターボファンエンジン PW1100G の LPT に使用

究を産学連携にて遂行している(4)．

され，ドイツ国内限定ではあるが， A320neo 型機にて商用TiAl の研究においてもう一つ注目すべきは積層造形であ特集

る． GE は現在この手法を用いて LPT ブレードを製造すべ

味深い研究が行われている．オーステナイト系においては，く，そのプロセス技術の確立について精力的に研究を行って我々が提案した Fe2Nb Laves 相強化型耐熱鋼が優れた耐水いる．しかし，実のところ翼形状にはなるが機械的性質の再蒸気酸化性を有することは既に述べたが，これは固溶 Nb の現性に問題があるようだ．この手法を用いた製造技術につい存在によって酸化初期に均一な Cr2O3 保護皮膜の形成が促ては SIP の中でも行っている． TiAl 基合金はラメラ組織が進され，スケールの成長を抑制することに起因する(6)(9)．す基本となるため，ラメラ粒の配向の仕方によって特性が変化

なわち，Nb の添加は保護性連続被膜を得るのに必要な合金する．したがって，粉末の急冷凝固を伴う積層造形法では，中の Cr 濃度を低減させる効果がある．また， Al2O3 を保護

ラメラ組織の配向性を積極的に利用するのか，それとも配向

皮膜として利用することを目的に，FeNiCr 系合金におけ性を低減してランダムにするのかが選択肢となる． TiAl 基

る Al の影響，さらには Al2O3 の形成を促す合金元素として合金は冷却中に種々の固相相変態が生じるため，伝熱物性値

Cu が有効との報告がなされている(9)．いずれも興味深い結の取得や凝固・変態歪みの除去のための熱処理法も重要とな果であり，今後はその機構解明が待たれる．

ろう．パラメータが無数にある製造条件(レシピ)の確立に加TiAl 系においては，以前から Nb の添加が耐酸化性の向えて，良質の粉末の製造技術や不純物元素の制御，粉末のリ上に有効であることは以前から知られているが，その機構のサイクル化，組織制御など，解決すべき課題は多いが，近い解明およびその知見を合金設計に活かすべく，系統的な基礎

将来この手法は現状の精密鋳造法に取って代わる可能性は十研究は重要である．また，フッ素の添加は Al203 の保護被膜分ある．既存の Ni 基合金のように，合金の開発元に熱処理の形成を促し， TiAl 基合金の耐用温度を 1000°
C 以上まで上条件を規定されてしまうことにならないよう，標準化に対しげられるとの報告があり(7)，今後実用化に向けてその効果のてイニシアチブを取ることが重要である．レシピを作るスピ

有効性を検証する研究も必要となろう．

ード勝負ばかりではなく，異なる発想に基づいたプロセス技術の確立が必要に感じる．

高温材料にとって耐環境特性は避けて通れない．あらゆる材料において耐用温度の向上が求められる中，機械的特性をその他の先進耐熱材料としては， Co 基合金と高融点金属

満足することがまず第一であることは言うまでもないが，耐基合金が挙げられる．Co 基合金は，CoAlW を中心に研究

熱材料の組織設計において今後一層バルク(組織・強度)の専が進められている．この合金系は，Ni 基超合金と同様，fcc

門家と表面(酸化)の専門家が融合することが重要である．

Co3 ( Al, W )相がg ( Co, Al, W )母相 中に L12 型構造の g ′.

cuboidal に 析 出 す る ． こ の 系 を 発 見 し た の も 日 本 で ある(25)．この系の研究は，合金元素の添加による L1

お

わ

り

に

2 相の相

安定性能の向上と機械的性質に集約される．この系の面白い

本稿では，最近の耐熱材料について特に注目されている材

点は， Ni 基合金とは異なり，引張クリープ試験下によって料を中心に，その動向と展望を簡単に述べた．紙面の都合上生じるラフト化の方向が応力軸と平行になることである．今カバーし切れなかった点があればご容赦願いたい．詳細は昨後の展開としては Ni 基合金に比べてどれだけ優位性を示せ

年開催された国際会議 123HiMAT 2015 のプロシーディン

るかである．

グス(6)あるいはその報告書(27)を参照頂きたい．

高融点金属基合金においては，bcc 母相を複数のシリサイ

近年，耐熱材料の設計においては，これまでの経験，実験

ド系金属間化合物で強化する Mo 系と Nb 系の基礎研究が行結果をデータベース(DB)化し，計算科学(AI)によって特性われている(8) ．特に前者については TiC を添加して組織制予測まで行う動きがある．これは 10 年以上前から米国にて御により靭性の改善とクリープ強度の向上を目指す研究が盛MGI ( Materials

んに行われている．これらの合金はいずれも 1500 °C 超級のComputational Materials Engineering)として始まり，我国

ガスタービンやジェットエンジンへの適用を目指しており，

で は Materials Informatics や Materials Integration と し て無冷却で利用することによって燃費の大幅な向上が図られ追随している．この流れは今後も続くであろう．しかし，計る(26)．したがって，今後の展開としては強度や靭性改善も算によって優れた材料が創成されたという話は著者が知る限さることながらパックセメンテーションなどコーティングにり無い．DB は常にアップデートされなければ陳腐化する．

よる耐酸化性の向上に向けた研究が重要である．

したがって，計算科学も結構だが，同時に実験も行われなけ

GenomeInitiative ) や ICME ( Integrated

FeAl 系(D03, B2 型)合金もオーステナイト系耐熱鋼の代れば良い材料は生まれない． Fe が相変態することも知らず

替材料として欧州を中心に基礎と応用研究が行われている．

に数値だけで材料設計など出来るわけがない．資源の無い我

この材料の特徴は高価な Ni を含まないことにあるが， bcc

国において，モノづくり技術は大変重要であり，計算ばかり

構造に共通する800°
C以上での強度の急激な低下をどう克服

が過度にもてはやされると，材料設計の基礎となる金属学がするかが今後の展開の鍵を握る．Laves 相を強化相に用いる

衰退することになりかねない．特に高温材料は，使用中に時などの試みはあるが，新たな Breakthrough が必要である．

々刻々と組織が変化し，それが材料特性と密接に関連する．
したがって，時間軸を取り入れた組織変化を如何に組み入れ

. 耐 環 境 特 性

るかが鍵となる．
本稿でも述べたが，最近の耐熱鋼では TCP 相を強化相と耐環境特性については前節までにいくつかポイントを述べして利用する研究が増えてきている．これまでは TCP 相はたが，オーステナイト系および TiAl 系においていくつか興

硬くて脆い有害相と見なされ，それを避ける組織設計がなさ

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japanれてきた．これは，長時間使用後の破断材に，初期には存在文しなかった TCP 相が確認され，それを劣化の原因と見なし献たためである．しかし，硬さならば炭化物の方がよっぽど硬くて脆い．むしろ，これらの相は長時間時効後に生成する平衡相であり，したがって，劣化の原因は TCP 相の生成にあるのではなく，組織変化，すなわち組織の不安定性にあると考えるべきである．著者らが提案した化合物強化型耐熱鋼が優れた高温クリープ強度を示すのは初期から Fe2Nb Laves
相(TCP 相)を強化相として利用し，組織変化を抑制した結果である． Ni 基合金も同様である．大半の合金は粒内に整)相( GCP 相)を強化相としているが，合析出する Ni3Al ( g ′相は「神様からの贈り物」であり，これに頼り過ぎるあまg′
り材料設計に対する考え方の自由度を狭めてはいないだろう
か．オーステナイト系と同様，結晶粒界を熱力学的に安定なTCP 相でプロテクトするような設計が可能かどうかを検証する必要がある．そのためには状態図の再検討も必要となる．
今後，高温材料に求められる要求は一層厳しくなる．我国の高温材料設計に対する考え方およびそれを形作るプロセス
技術は世界の最高水準にある．事実，日本で開催した耐熱材料に関する国際会議には多くの外国の研究者，技術者が集まる．これは，新たな発想に基づいた基礎研究を行える土壌が我々にはあるからだと思う．数十年前に書かれたテキストが必ずしも正しいとは限らず，新たな発想による組織設計が求められる時代に入った．これまでは，歴史的に欧米にて開発された合金を使ってきたが，これからは我々が考案した材料を世界標準にすべき時が来ている．
2018年には Oxford 大学にて Euro Superalloys が開かれる．
2020年には米国にて Superalloys が開催される．また，2017

年にはクリープの国際会議 ECCC がドイツで開催される．
我々は 2019年に第 2 回 123HiMAT 2019 の開催を計画しているが，この会議を EPRI と共催として発電材料に関するWorld Congress とする話も米国から持ちかけられている．

これは我国の技術水準が世界に認められている証でもある．
耐熱材料の研究開発は，冒頭でも述べたが，3E2S 問題に対して国内のみならず世界に貢献できる重要な分野であり，世界を相手に仕事ができる夢のある分野である．我国で開催された二つの国際会議にて育んだ世代間・国家間の連携をより一層発展させるためには，この分野に興味を持つ若手がどんどん入ってくる必要があり，それを大いに願う．本稿が今後の我国の耐熱材料の更なる活性化に役立てばまことに幸いである．

( 1 ) エネルギー白書2014，経産省資源エネルギー庁，(2014)．
( 2 ) 資源エネルギー庁「次世代火力発電協議会の設置とロードマ
ップの策定について」，次世代火力発電協議会第 1 回会合資料，(2015)．
( 3 ) Current market outlook 20152034, Boeing (2015)．
( 4 ) 戦略的イノベーション創造プログラム(SIP)革新的構造材料，
http://www.jst.go.jp/sip/k03/sm4i/project/unit.html.
( 5 ) 日本学術振興会耐熱金属材料第 123 委員会 HP: http: // www.
jsps.go.jp/english/esoc/list/123.html.
( 6 ) Proc. of the 1st Int. Conf. on Advanced HighTemperature
Materials Technology for Sustainable and Reliable PowerEngineering (123HiMAT2015), JSPS 123 Committee,(2016).
( 7 ) 5th International Workshop on Titanium Aluminides (IWTA2016Tokyo), http://tialws2016tokyo.ac.jp/index.html.
( 8 ) 先進超々臨界圧火力発電実用化要素技術開発，経済産業省．
( 9 ) 先端的低炭素化技術開発( ALCA )，実用技術化プロジェクト「低 CO2 排出型次世代火力発電用新規耐熱材料の開発」，革新
的800°C級超耐熱鋼の設計要素技術(竹山雅夫)，科学技術振興機構(JST)，http://www.jdt.go.jp/alca.kadai/pri 03.html.
(10) 竹山雅夫電気製鋼，83(2012), 17.
( 11 ) 竹山雅夫第 194 回， 195 回西山記念講座，日本鉄鋼協会，(2008)，120.
( 12 ) 長 谷 部 優 作 ， 橋 本 清 ， 竹 山 雅 夫  日 本 金 属 学 会 誌 ， 75(2011), 265273.
(13) 鉄鋼便覧 第 5 版，材料の組織と特性(第 3 巻)，日本鉄鋼協会，
403407.
(14) I. Tarigan, K. Kurata, N. Takata, T. Matsuo and M.
Takeyama: Mater. Res. Soc. Symp. Proc., 1295(2011), 317
322.
(15) Lyta, M. Ueda, K. Kawamura, M. Takeyana and T.
Maruyama: Mater. Trans., 54(2013), 22762284.
( 16 ) 上田光敏，勝目翔太，竹山雅夫学振 123 委研究報告， 57(2016), 302307.
( 17 ) 広澤 拓，高田尚紀，竹山雅夫学振 123 委研究報告， 55(2014), 1
12.
( 18 ) 熊谷祥希，小林 覚，竹山雅夫学振 123 委研究報告， 56(2015), 143154.
(19) P. Schraven and M. Ruhr: Proc. 7th Int. Conf. on Advances inMaterials Technology for Fossil Power Plant, EPRI (2014),
167.
(20) M. P. Echlin, A. Mottura, C. J. Torbet and T. M. Pollock: Rev.
Sci. Instrum., 83(2012), 16.
(21) 竹山雅夫，菊池 實まてりあ，35(1996), 10581064.
(22) M. Takeyama and S. Kobayashi: Intermetallics, 13(2005),
993999.
(23) 竹山雅夫ふぇらむ，15(2010), 678685.
(24) 竹山雅夫，中島広豊塑性と加工，56(2015), 535539.
(25) J. Sato, T. Ohmori, K. Oikawa, I. Ohnuma, R. Kainuma and K.
Ishida: Science, 312(2006), 9091.
(26) J. H. Perepezko: Science, 326(2009), 10681069.
( 27 ) 123HiMAT 2015 セッション報告学振 123 委研究報告， 56(2015).
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

本報告の一部は，先端的低炭素化技術開発(ALCA)における研究課題「革新的 800°
C級火力発電プラント用超耐熱鋼の設計原理」，および，戦略的イノベーション創造プログラム(SIP)「革新的構造材料」の研究開発項目「耐熱合金・金属
間化合物等の開発」における研究開発課題「ジェットエンジ
ン用高性能 TiAl 基合金の設計・製造技術の開発」の支援に
独 日本学術振興会第 123委員会各分よる成果である．また，

科会主査および協力会委員各位の協力に謝意を表します．



竹山雅夫

1986年 東京工業大学大学院理工学研究科博士後期課
程修了
1986年 4 月1989年 6 月 米国 Oak Ridge 国立研究所 客員研究員
1989年 7 月
1993年 3 月 科学技術庁金属材料技術研
究所 研究員
1993年 4 月 東京工業大学助教授
2011年10月 教授
専門分野鉄鋼材料学，金属組織学，高温材料設計学◎多元系状態図の相平衡，相変態を利用した組織制御，
金属間化合物を利用した高温材料の組織設計指導原理の構築を中心に活動．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

特集

形状記憶合金に関する研究および
開発の進展
貝

.

は じ

め

に

.

沼

亮

介

高加工性で低廉な合金の開発

現在，形状記憶合金として広く利用されている TiNi 合金

TiNi 合金は，低加工性のため工業的には伸線加工以外難(ニチノール)で初めて形状記憶効果が見出されたのは 1963

しく，容易に加工硬化するため冷間加工時には複数回にわた年とされており(1)，実用的な形状記憶合金の発見から既に半る途中焼鈍処理が必要であり，素材コスト以上に加工コスト

世紀以上経過した．この間，特に 1980年代から， TiNi におが高くなる．従って，低廉であるためには，素材コスト以上

いて超弾性も含めた材料特性の飛躍的な向上が図られ(2)，今に高い加工性が求められる．

までに様々な分野で製品化されている．他合金系でも形状記

高加工性 Cu Al Mn 系合金は(11)(12) ， 1995 年に報告され憶効果が報告されているが，金属間化合物としては高い加工て以来 20年以上にわたって研究され，集合組織(13)や結晶粒性や優れた形状記憶特性から，実用に耐えうる形状記憶合金

径制御(3)により TiNi 系に匹敵する超弾性特性が得られるこは実質的に TiNi に限定されてきた．ただ，TiNi 系形状記憶とが明らかとされている． Cu Al Mn 合金は，異形材への合金は，近年医療分野で益々その存在感を増しているもの

加工が可能であり，切削性・打ち抜き性にも優れている．さの，それ以外の分野では応用展開が十分に進まないのも実情

らに， TiNi とは異なり金型フリーで形状記憶処理が可能なである．その阻害因子として度々議論されるのが， TiNi 合ことから，近年図に示すような複雑な形状を持つ「巻き爪 難加工性および高素材コスト，◯ 熱伝導に律速される金の◯矯正デバイス」が実用化された(14)．また， 2013年には高温

 Ni アレルギー問題，◯
 使用可能温度の制約，
低応答性，◯
 繰り返し特性の制約である．この観点で振り返ると，この◯ Cu 基合金の特性向上(3) および Fe 基新超弾性合
10年間に◯
 メタ磁性形状記憶合金の発見(6)，◯ Ti 基金の開発(4)(5)，◯ 極低温での変態挙動(8)および◯

超弾性合金の開発(7)，また◯

低変態ヒステリシス(9)に関する基礎研究において新しい進展が報告されている．
本稿では，過去 10 年間における研究の進展と展望を，上記項目に合わせて簡潔に説明したい．なお，それ以前の動向については宮崎による解説(10)があるので，是非ご参照頂きたい．
図1

高加工性 Cu Al Mn 合金で実現した巻き爪クリップの外観(a)と装着法(b)(14)．

東北大学大学院工学研究科金属フロンティア工学専攻教授(〒980
8579 仙台市青葉区荒巻字青葉 6602)
Recent Progress of Fundamental Studies and Developments on Shape Memory Alloys; Ryosuke Kainuma(Department of Metallurgy,
Graduate School of Engineering, Tohoku University, Sendai)
Keywords: martensitic transformation, shape memory alloy, superelastic alloy, transformation hysteresis, metamagnetic alloy, biomaterial,
magnetocaloric alloy
2016年 4 月 5 日受理[doi:10.2320/materia.56.151]

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan

の b(bcc)相域と低温の b＋a(fcc)2 相域の間をサイクル熱処

しかし，延性化を目的とする加工熱処理には 95 以上の冷理することで，センチメートル級の粗大粒が得られることが間圧延が必須なため，今のところ優れた超弾性特性を示す試見出された(15)． CuAlMn 合金の超弾性特性は，試料断面料形状は薄板に限られる．

積以上の結晶粒径にすることで飛躍的に向上することか

一方，FeMnAlNi 合金は，変態時のエントロピー変化

ら(3)，今後，本合金が建築や土木分野の大型超弾性部材としが非常に小さく，図に示すように超弾性応力の温度依存性ての利用が期待される．

が TiNi の約 1/10である(5)．すなわち，応力と温度の関係を他の低廉な新合金として， 2 種類の鉄系超弾性合金 Fe (4)および( 5) が示す ClausiusClapeyron の式から， TiNi では応力誘起変態

2010年以降に報の降伏応力が高温になるに従い急激に上昇するが，FeMn

告された．ここで， FeNi CoAlTa B は FeNi 基合金にAlNi 合金ではその上昇率が 1 ケタ小さい．この特性は，本一般的な g(fcc)/a′(bct)マルテンサイト(M)変態だが， Fe

合金が TiNi に比べ10倍もの広い温度域で超弾性を利用でき

MnAlNi は，鉄合金では珍しい a (bcc)/ gM 変態を利用しることを意味し，屋外等の温度変化の大きな環境で使用する

NiCoAlTa B

FeMnAlNiている．両合金は母相と M 相の結晶構造が，互いに入れ替

超弾性材料としては非常に魅力的である．ただし，FeMn

わった関係になっているものの，不規則マトリックスに整合

AlNi 多結晶合金は，結晶粒間の機械的拘束が非常に強く，規則相(前者は Ni3Al  L12 構造，後者は NiAl  B2 構造)を試料断面に対する結晶粒サイズを大きくすることが不可欠で析出させることで変態を非熱弾性型から熱弾性型へと変化さある(17)．

せ形状記憶効果を得る点で共通項が多い(16)．

.

ボロン無添加の Fe Ni Co Al Ta 合金は，時効熱処理中

メタ磁性形状記憶合金に B2 相が粒界析出して著しい脆化が起こる(4)．粒界析出を抑制するために微量の B を添加し加工熱処理により強力な

TiNi を始めとした形状記憶合金は，アクチュエータとし再結晶集合組織を得ることが重要であり，この手法で粒界脆て利用する場合，変態制御に温度変化を利用する．従って，化の劇的な抑制が実現した． Fe Ni Co Al Ta B 合金は，出力としての歪やエネルギーは大きいもののバルク材の応答

13 にもおよぶ超弾性歪と非常に大きな応力ヒステリシス

性は著しく低い(おおよそ 10 Hz 以下)(18)．強磁性を示す形

を示すことから，制震部材としての応用が期待されている．

状記憶合金に利用しうる温度以外の外場としては，磁場が挙げられる．実際，1996年に Ni2MnGa ホイスラー合金を利用した磁場駆動が報告された(19)．Ni2MnGa 系強磁性形状記憶合金に関しては， 10 年前の本誌に掲載された掛下，福田による解説をご参照頂きたい(20)．Ni2MnGa 合金は，10もの
磁場誘起歪を示し実用化が期待されたが，材料の脆さ，素材
コスト，数 MPa に留まる低応力出力等の問題により，報告から20年を経た今も実用化に至っていない．
2006 年，材料の脆さと低出力の問題を解決しうる新合金と し て 報 告 さ れ た の が NiCoMnIn 合 金 で あ る(6) ． 本 合 金
は，強磁性母相が常磁性 M 相へ変態することから，ゼーマ
ンエネルギーの寄与により外部磁場による母相の安定化が起こる．従って，予め逆変態温度直下の M 相に外部磁場を印加することで，図に示すように(21) 温度一定の条件下でも磁 場 誘 起 逆 変 態 が 生 じ ， 形 状 記 憶 効 果 が 得 ら れ る ( 6) ．
NiCoMnIn 合金では，予め 3の圧縮歪を与えた試料に対し，
7 T の定常磁場および数ミリ秒幅の単パルス磁場を加えることでほぼ完全な形状回復を得ることに成功した(22)．この様な磁場誘起形状記憶効果は，磁場誘起相転移(メタ磁性相転移)に起因するためメタ磁性形状記憶効果と呼ばれている．
メタ磁性形状記憶効果は，入力する磁場さえ大きくすればそれに比例する出力を得ることができるため， 100 MPa 以上の応力が得られることが報告されている(23) ．また，メタ磁性形状記憶合金では，磁場誘起逆変態による負の変態潜熱(吸熱)が得られる．最近は，磁場駆動素子以上にこの現象(逆磁気熱量効果)に関する研究発表が多くなされてい図2

Fe 34Mn 15Al 7.5Ni 合金の超弾性効果を示す
応力
歪線図(a)と超弾性応力の温度依存性(b)(5)．

る(24)(25)．
しかし，本合金も Ni2MnGa 合金と同様，現在までに殆ど

特

集

図3

メタ磁性形状記憶効果の原理図(21)．

実用化が進んでいない．その大きな理由として，変態時の磁場ヒステリシスが 3 T 以上と大きいことが挙げられる．磁性デバイスにしても磁気冷凍材料にしても，変態ヒステリシ
スを最低でも希土類磁石で得られる 2 T 以下に下げる必要
がある．

.

図4

医療用形状記憶合金(TiNi および Ti 基系)

TiNi 合金は，優れた形状記憶特性に加え耐食性に優れる

ことから医療分野を中心に普及している． Jani ら(18) によれ

極低温域における Ni 過剰 TiNi 合金の応力ひずみ線図(a)と応力ヒステリシスの温度依存性( b )．( a )内挿図は， 120 K における繰り返し曲
線．( b )内挿図は，応力誘起変態開始応力 sM お
よび逆変態終了応力 sA の温度依存性(8)．ここで，so≡(sM＋sA)/2，shys≡sM－sA．

ば， 1990 2013年の期間の TiNi 形状記憶材料に関する論文の中で医療分野の論文は 13 に過ぎないのに対し，その期

. 高温形状記憶合金と極低温でのマルテンサイト変態間の米国特許数は形状記憶材料関連全体の約60を占め，2位の航空機関係約 4を大きく引き離している．また，ここTiNi 合金は，利用できる温度域に制約があるため，100°
C

数十年にわたり形状記憶合金に関する論文や特許数は指数関以上で機能する高温形状記憶合金の研究が盛んに行われてき数的に増加している(18) ．これは，カテーテル治療におけるた(10)．近年は，従来の TiNi＋貴金属元素もしくは TiNi＋4,

ステントやガイドワイヤーを始めとした多くの医療分野で5 属元素を始めとした TiNi 基合金以外に，本来磁性形状記

TiNi 合金が大きな存在感を示していることによると思われ

憶合金として研究されてきた NiMnGa(27)等がその高温域

る． Ni はアレルギー反応等人体へ悪影響を及ぼすことが知での安定性から新たな高温形状記憶合金として報告されていられているが， TiNi では Ti 酸化物の不導態皮膜により Ni

る．しかし，形状記憶特性はもとより加工性・コスト・熱的が外部に溶出しにくいため問題視されない場合も多い．

安定性等，実用上重要な条件を同時にクリアする合金系は，とはいえ，生体適合性の問題を考慮し， Ni を含有せず生

なかなか見出されていない．

体に悪影響を及ぼさないとされている元素のみからなる新合

一方，極低温度域における超弾性特性に関しては基礎的な金の開発も盛んに行われている(26)．その典型例が TiNb を研究が着手され始めている．従来，液体窒素温度以下におけ

始 め と し た Ti 基 合 金 で あ る(7) ． Ti は 882 °Cにおいて bる超弾性特性は， TiNi 系も含め殆ど研究報告が無かった．

(bcc)/a(hcp)変態を示すが，b 安定化元素である Nb 等を多2013 年， Niitsu らは Ni 過剰 TiNi 合金において極低温域に量に添加することで低温域において b/a″(斜方晶)M 変態がおける超弾性特性を調査した(8)．その結果，図に示すよう現れ，形状記憶効果が得られる．また，低温時効して v 相に変態応力ヒステリシス shys が約 150 K 以下で著しく増大を析出させることで良好な超弾性が得られることが報告されすることを見出した．その後，メタ磁性形状記憶合金 Ni ている(7)．その後，超弾性効果ばかりか生体適合性，弾性率

CoMnIn 単結晶においても類似した応力ヒステリシスの増等の観点で合金設計がなされ Ti(Ta,Nb)(Zr,Hf)(26)の様な大が認められた(28) ．なお，メタ磁性形状記憶合金では，磁組み合わせで多くの生体用 Ti 合金が報告されている．

場誘起変態でも同様な低温域でのヒステリシスの増大が観察

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japanされ(29) ，応力ヒステリシスと殆ど同程度の散逸エネルギーにおける研究プロジェクトの存在による結果であろう．本用を示すことが確認された(28) ．これらの挙動は，金属材料の途では，桁違いに安定した繰り返し変態特性が要求される

臨界分解せん断応力(CRSS)の温度依存性と類似した温度依が，特に超弾性を利用する elastocaloric では数百回程度で存性を持っており，これらと同様な現象論的解析が可能であ

ヘタってしまう既存材料では明らかに役不足である．しかることが示された．すなわち，応力ヒステリシスは熱活性項

し，前節で示した TiNiCu 薄膜のような超越した繰り返し特と非熱活性項に分けられ，熱活性項は試験温度や歪速度に大性がバルク材において実現すれば，エネルギー変換材料としきく依存する(8)(30)． M 変態におけるヒステリシスは，基本ての用途もあながち夢ではないのかもしれない．

的に変態時における母相/M 相界面の移動に対する摩擦抵抗

その他，形状記憶合金において注目すべき研究としては，によると考えられるため，熱活性項の存在は異相界面移動のTiNi 基合金におけるストレイングラスの提唱(33)，M 相の自素過程に原子振動が寄与することを意味している．しかし，

己調整組織についての厳密な解析(34) ， Fe 貴金属系合金に具体的にどの様な素過程が移動を妨げるエネルギー壁としておける異常低弾性率の発現(35)(36) 等が挙げられる．また，働くのかは，今のところ不明である．

Fe Mn Si 基合金の g → e 変態を利用した制震ダンパーの実用化(37)といった，新しい用途への応用があったことも付記.

低ヒステリシス合金

前節にて，変態応力ヒステリシスに関して触れたが，基本しておきたい．

.

お

わ

り

に

的に 1 次の相転移を示す M 変態においてヒステリシスの存
在は不可避的であると言える． TiNi 合金における R 相変態

本稿を通し，半世紀に及ぶ歴史を経ても形状記憶合金の分の様に変態歪が小さい場合は良いが，大きな変態歪を取り出野には，まだ多くの未解決な問題とホットな話題があること

せる熱弾性型 M 変態では，一般に変態温度ヒステリシスはをご理解いただけたと思う．また，西山善次先生を源流とす

数十°C程度であり，アクチュエータの作動温度の大きな誤差

る本邦におけるマルテンサイト変態の研究は，全体的に見てや不安定さに直結する．さらに，ヒステリシスは変態サイクも明らかに世界をリードする立場を維持している．今後も世ル中に熱として散逸する無駄なエネルギーに対応するばかり界を牽引する分野であり続けるためにも，多くの若手研究者

か，繰り返し特性などとも密接に関連している．その様な意が本研究分野に参画して下さることを切望する．

味で，大きな変態歪を維持しつつヒステリシスを低減させる
ことが，形状記憶合金の永遠の課題ともいえる．

最後に，本稿の執筆に当たり東北大学 大森俊洋准教授に多大なご協力を頂きました．心から御礼申し上げます．

この様な中で，近年 Song らは 8もの大きな変態歪を示す CuAuZn 合金の bcc/単斜晶( 6M ) M 変態において，変態

文

献

温度ヒステリシスを 2 °C まで低減でき，さらに 1.6 万回の熱変態サイクルによっても変態温度が殆ど変化しないことを報告した(9)．この様な低ヒステリシスは，母相と M 相の結晶構造と格子定数の良好なマッチングによって説明されている．また極最近， Chluba らは， Ti 過剰 TiNiCu スパッタ膜
試料において母相中にナノサイズの整合析出物を析出させる
ことで， 107 回もの安定した繰り返し超弾性を報告している(31)．これらの結果は，母相と M 相間の格子定数のチュー
ニングや整合析出物の利用によっては，大きな変態歪を持つ
M 変態でも，そのヒステリシスを著しく縮小させ，繰り返し特性を劇的に向上させることができることを示唆しており，形状記憶合金の用途拡大に対し常に大きな障害となってきた問題を解決するための糸口が見えてきたと言える．

.

その他の研究20052015年までの期間において，Shape Memory Alloy で文献検索をかけたところ，最近のトレンドとして magetocaloric や mechanocaloric (elastocaloric および barocaloric)(32)といったエネルギー変換材料としてのキーワードを挙げる文献が多く引用されていた．この分野の研究は，比較的ヨーロッパで盛んだが，これも昨今のエネルギー問題に絡めた当地

( 1 ) K. Otsuka and C. M. Wayman: Shape Memory Materials,
Cambridge University Press, (1998).
( 2 ) S. Miyazaki and K. Otsuka: ISIJ Int., 29(1989), 353
377.
( 3 ) Y. Sutou, T. Omori, K. Yamauchi, N. Ono, R. Kainuma and K.
Ishida: Acta Mater., 53(2005), 41214133.
( 4 ) Y. Tanaka, Y. Himuro, R. Kainuma, Y. Sutou, T. Omori and K.
Ishida: Science, 327(2010), 14881490.
( 5 ) T. Omori, K. Ando, M. Okano, X. Xu, Y. Tanaka, I. Ohnuma,
R. Kainuma and K. Ishida: Science, 333(2011), 6871.
( 6 ) R. Kainuma, Y. Imano, W. Ito, Y. Sutou, H. Morito, S.
Okamoto, O. Kitakami, K. Oikawa, A. Fujita, T. Kanomata
and K. Ishida: Nature, 439(2006), 957960.
( 7 ) H. Y. Kim, Y. Ikehara, J. I. Kim, H. Hosoda and S. Miyazaki:
Acta Mater., 54(2006), 24192429.
( 8 ) K. Niitsu, T. Omori and R. Kainuma: Appl. Phys. Lett., 102(2013) 231915.
( 9 ) Y. Song, X. Chen, V. Dabade, T.W. Shield and R. D. James:
Nature, 502, (2013), 8588.
(10) 宮崎修一まてりあ，46(2007), 171174.
(11) R. Kainuma, S. Takahashi and K. Ishida: Metall. Mater. Trans.
A, 27(1996), 21872195.
( 12 ) 須藤祐司，大森俊洋，貝沼亮介，石田清仁，山内 清まてりあ，42(2003), 813
821.
(13) Y. Sutou, T. Omori, R. Kainuma, N. Ono and K. Ishida: Metall.
Mater. Trans. A, 33(2002), 28172824.
( 14 ) 田中豊延，喜瀬純男，大森俊洋，貝沼亮介，石田清仁まてりあ，51(2012), 108
110.
(15) T. Omori, T. Kusama, S. Kawata, I. Ohnuma, Y. Sutou, Y.
Araki, K. Ishida and R. Kainuma: Science, 341 (2013), 1500

特集1502.
( 16 ) 貝沼亮介，大森俊洋，田中優樹，石田清仁ふぇらむ， 16(2011), 613
621.
(17) T. Omori, M. Okano and R. Kainuma: APL Mater., 1(2013),
032103.
(18) J. M. Jani, M. Leary, A. Subic and M. A. Gibson: Mater. Des.,
56(2014), 10781113.
(19) K. Ullakko, J. K. Huang, C. Kantner, R. C. O'Handley and V.
V. Kokorin: Appl. Phys. Lett., 69(1996), 19661968.
(20) 福田 隆，掛下知行まてりあ，46(2007), 188.
(21) 貝沼亮介，及川勝成，石田清仁，須藤祐司工業材料， 54(2006), 6872.
(22) T. Sakon, S. Yamazaki, Y. Kodama, M. Motokawa, T.
Kanomata, K. Oikawa, R. Kainuma and K. Ishida: Jpn J. App.
Phys., 46(2007), 995998.
(23) H. E. Karaca, I. Karaman, B. Basaran, Y. Ren, Y. I.
Chumlyakov and H. J. Maier: Adv. Funct. Mater., 19(2009),
983998.
(24) T. Krenke, E. Duman, A. Acet, E. F. Wassermann, X. Moya,
L. Manosa and A. Planes: Nature Mater., 4(2005), 450454.
(25) J. Liu, T. Gottschall, K. P. Skokov, J. D. Moore and O.
Gutfleisch: Nature Mater., 11(2012), 620626.
(26) A. Biesiekierski, J. Wang, M. A. Gepreel and C. Wena: Acta
Biomater., 8(2012), 16611669.
(27) Y. Ma, C. Jiang, Y. Li, H. Xu, C. Wang and X. Liu: Acta
Mater., 55(2007), 15331541.
(28) K. Niitsu, X. Xu, R. Y. Umetsu and R. Kainuma: Appl. Phys.
Lett., 103(2013), 242406.

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan(29) R. Y. Umetsu, K. Endo, A. Kondo, K. Kindo, W. Ito, X. Xu, T.
Kanomata and R. Kainuma: Mater. Trans., 54(2013), 291
296.
(30) X. Xu, T. Kihara, M. Tokunaga, A. Matsuo, W. Ito, R. Y.
Umetsu, K. Kindo and R. Kainuma: Appl. Phys. Lett., 103(2013), 122406.
(31) C. Chluba, W. Ge, R. L. de Miranda, J. Strobel, L. Kienle, E.
Quandt and M. Wuttig: Science, 348(2015), 10041007.
(32) S. Crossley, N. D. Mathur and X. Moya: AIP Adv., 5(2015),
067153.
(33) S. Sarkar, X. Ren and K. Otsuka: Phys. Rev. Lett., 95(2005),
205702.
(34) 稲邑朋也まてりあ，53(2014), 321327.
(35) F. Xiao, T. Fukuda and T. Kakeshita: Acta Mater., 61(2013),
40444052.
(36) T. Fukuda and T. Kakeshita: Scr. Mater., 69(2013), 89
91.
(37) 澤口孝宏ふぇらむ，20(2015), 96102.
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

貝沼亮介

1988年 東北大学大学院工学研究科博士課程修了
1995年 5 月 東北大学工学部 助教授
2006年 4 月 東北大学多元物質科学研究所 教授
2010年 4 月現職
専門分野金属材料学◎合金状態図と相変態の研究に従事．特に，新規形状記憶合金の開発やマルテンサイト変態，磁気変態，
規則不規則変態の相互作用効果に関心をもっている．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★



第 2 分科(エコマテリアル)

環境調和型材料技術の展望
池

地球環境問題と材料の関わりについては， 1980 年代後半にクローズアップされて以来，現在に至るまで数多くの議論がなされてきた．『エコマテリアル』という概念は，1990年
代前半に日本の材料研究者の議論の中から生まれており，「優れた特性・機能を維持しつつ，製造・使用・リサイクルまたは廃棄において環境や人への負荷を低減できる材料」と定義されている．環境負荷が少ない材料としては，リサイク
ルできる材料や有害物質を含まない材料を容易に想像することができる．しかし，単にこのような材料を開発するだけではエコマテリアルとしては十分ではない．概念が生まれた当初から，資源の投入から環境への排出までのライフサイクル
全体で環境負荷が最も少ない材料としなければならないと提言されてきた(1)(2)．すなわち，材料の開発だけでなく，プロ
セス技術や周辺技術を含む総合的な『環境調和型材料技術』の発展が必要不可欠であることから，日本金属学会分科会第2 分科では，以下のキーワードを軸に活動を実施してきた．
「ポーラス材料」「マグネシウム」「マイクロ接合(旧鉛フ
リーはんだ)」「環境・リサイクル」「高温酸化・高温腐食」「高温変形・クリープ・超塑性」「触媒材料」「水溶液腐食」「融体・高温物性」
日本金属学会創立 70 周年記念特集では，「リサイクル」，「ガスセンサー」，「光触媒」，「エコマテリアル」，「形状記憶合金」について各専門家の先生に解説をしていただいた(3)．
前回の創立記念特集から 10 年が経過した現在，環境調和型材料技術の発展は着実に進められており，多くのメディアにも取り上げられたことから，一般の人々にも環境問題が重要であることをさらに印象づけた10年となったと考えられる．
そこで，日本金属学会創立 80 周年記念特集では，第 2 分科のキーワードの中から 5 つのテーマにしぼり，精力的に活動をされてきた専門家の先生方にこれまでの変遷とこれからの展望について，基礎の解説も交えてご執筆いただいた．
『レアメタルの環境・リサイクル技術の課題と展望』では，
この 10 年で一般の人々の間にも認識が広まったレアメタルの用途やその重要性とリサイクル技術について課題と展望を

田

賢

一 竹

田

修


解説していただいた．『高温変形・クリープ・超塑性に関する今後の展望』では，エンジンなどの高温構造部材の設計
や，構造部材の効率的な製作として期待されている温間・熱間成形において重要な高温変形・クリープ・超塑性の物理的基礎と産業界への展開についてまとめていただいた．『ポーラス材料研究の進歩と展望』では，軽量構造材料としてだけでなく，吸音性などの高機能材料としても有望なポーラス材
料について，この 10 年間に国内で行われてきた研究と将来展望を解説していただいた．『高温融体物性研究の推移と展望』では，日本国内の高温融体物性の研究活動の推移と物性測定法の基礎について解説していただいた．『水溶液腐食研究に関する課題と展望』では，金属材料の環境劣化の一つである水溶液腐食の研究について，腐食現象解析技術と耐食材料の進歩と課題ならびに水溶液腐食研究の展望について解説していただいた．
ご多忙の中，ご執筆いただいた著者の皆様へお礼を申し上げるとともに，本特集が地球環境問題と材料の関係や，環境調和型材料技術に興味をもつ会員の一助となることを期待し
たい．

文

献

( 1 ) 一般社団法人 未踏科学技術協会 エコマテリアル フォーラム．
( 2 ) 国立研究開発法人 国立環境研究所 環境展望台．
( 3 ) 創立 70 周年記念特集「材料科学の課題と展望～ナノマテリア
ル・環境材料を中心として～」「地球環境にやさしい材料」
まてりあ，46(2007), 151
174.

池田賢一

竹田

修

北海道大学大学院工学研究院准教授(〒0608628 札幌市北区北13条西 8 丁目)
東北大学大学院工学研究科准教授(〒9808579 仙台市青葉区荒巻字青葉 6
602)
Future Perspectives of Environmentally Conscious Technology of Metals and Materials; Ken-ichi Ikedaand Osamu Takeda(Facultyof Engineering, Hokkaido University, Sapporo. Graduate School of Engineering, Tohoku University, Sendai)
Keywords: recycling, rare metals, high temperature deformation, creep, superplasticity, porous materials, thermophysical properties of hightemperature melts, corrosion science and technology
2017年 1 月12日受理[doi:10.2320/materia.56.156]



特

集

レアメタルの環境・リサイクル技術の
課題と展望
岡

部

徹

認識が広まった．

.

は じ

め

に

近年，レアメタルについては，供給面のリスクだけでな
く，その製錬やリサイクルに伴って発生する有害な廃棄物のチタン(Ti)やレアアース(希土類元素，Rare Earth Metals:

処理の問題など，生産をめぐる環境汚染問題も報道されるよ

REMs )をはじめとするレアメタルの製錬・リサイクル技術うになった．その結果，鉱物資源のほとんどを輸入し，環境に関する研究に筆者が取り組んでから 25 年以上が経過した規制が極めて厳しい日本では，資源確保だけではなく，環境が，レアメタルの研究を取り巻く環境はこの 10 年間で大き調和型の高効率リサイクル技術の開発による資源の循環利用

く変わった．

が重要であることも広く知られるようになってきた．

10 年以上前には，レアメタルの研究，特に製錬やリサイ

このように，材料研究，特にプロセス技術に関する研究分

クルについては，材料研究の専門家でさえもその意義や重要野において，レアメタルのリサイクル技術がクローズアップ

性を十分に理解していなかった．ごく一部の専門家は，将来されるようになったのは，最近の出来事である．

レアメタルのプロセス技術が産業的に重要になることを認識.

していた．しかし，関連分野の研究者の多くはこの分野から

レアメタルの供給問題のボトルネック

離れて行った．これは，製錬やリサイクルに関するプロセス
技術に関する研究は，学術論文の生産性が低く，見かけ上のレアメタルの供給に関するボトルネックを的確に認識する

研究成果を稼ぐのが難しいため，研究者として生き残るのがことは，レアメタルの将来動向やリサイクルについて考える

困難な状況であったためと考えられる．

上でも極めて重要である．このボトルネックの態様についところが，産業界では2006年頃から情報技術(Information
Technology: IT)の発展を中心にレアメタル需要が急増してて，著者は各所で論じているので(1)(4) ，ここではポイントのみを記述する．
レアメタルの生産と供給におけるボトルネックとして考慮

レアメタル・ブームが巻き起こり，日本のハイテク産業を支える基幹材料として，レアメタルの重要性が一般社会にも認しなければならない主な項目は以下の 3 点である．

識されるようになった．このころから，新聞やテレビ等一般

◯

資源供給制約(Resource Supply Restriction)のメディアでも，レアメタルという言葉が頻繁に使われるよ


◯

技術制約

(Technological Restriction)

うになった．

◯

環境制約(Environmental Restriction)

一方，供給面では 2010 年に尖閣諸島の領有問題に端を発◯◯ の制約は，独立して存在するのではなく，お上記の◯した外交問題から，突如中国がレアアースの輸出を停止し互いに密接に関連している．レアメタルの生産を商業化するた．このレアアース・ショックを機に，需給の逼迫による資◯◯ の制約すべてを解決することが不可欠であには，上記◯

源価格の高騰に供給不安も加わって，日本のハイテク産業はる．しかし，近年の海底レアアース泥の報道の事例からもわ

一時期パニックに陥り，深刻な産業・経済問題へと発展し のみで議論する事例が多い．ボリビアのウユ
かるように，◯

た．この結果，産業界だけではなく子供を含む一般の人々のニ湖からのリチウムの採取・製錬の可能性や企業化の議論も，間にも，レアアースをはじめとするレアメタルが，日本のハ や◯ を無視して，◯
 のみがデフォルメされて報道されてい◯イテク産業を支える基幹材料として極めて重要であるというる典型的な事例の一つである．(図参照(1))

東京大学生産技術研究所 持続型エネルギー・材料統合研究センターセンター長，教授(〒1538505 東京都目黒区駒場 461)
Challenge and Vision of Environment and Recycling Technologies for Rare Metals; Toru H. Okabe(Integrated Research Center for
Sustainable Energy and Materials, Institute of Industrial Science, The University of Tokyo, Tokyo)
Keywords: rare metals, recycling, nonferrous metal smelting, environmental technology
2016年 5 月12日受理[doi:10.2320/materia.56.157]

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan




図1

レアメタルの製造や供給を制約する主な要因．レ
アメタルの製造や供給の制約については，資源供給制約が問題となるものは少なく，むしろ，技術
制約や環境制約が実際には主な制約となることが多い．

技術が進歩すれば，深い深度の地底や海底の資源を利用できるようになり，また，品位が低く製錬が困難な鉱物の利用
 の解決)．一方で，レアメタルも可能となるかも知れない(◯の分離精製などについては，現状では環境規制により実施できる国や地域が制限されている場合が多いが，有害物の処理技術が進歩すれば，これらの環境制約が無くなる場合もある
◯ の解決)．社会の動向や，技術革新により上述の制約は
(◯

変化する．
詳細は割愛するが，レアメタルの供給については，資源の埋蔵量が制約となっている事例よりも，採掘や製錬の技術やコスト，さらには環境破壊が制約要因(ボトルネック)になっている事例の方がむしろ多いことを認識することが肝要である．

.

レアメタルの用途の拡大と重要性の増大

レアメタルの用途は多様であり，その分類方法は千差万別

図2

レアメタルの用途．これまでは，電子材料用，合金用，航空機材料用のレアメタルが主な需要であったが，今後は，「走るレアメタル」，および，「エネルギー関連レアメタル」の需要が大幅に増大する．

である(5)(6)．図は，普段，元素周期表を目にすることがな
い一般の人に対し，著者が説明に利用しているレアメタルの“産業のビタミン”として，レアメタルの重要性の重要性は分類法の一例である．この用途別分類法は，科学的でない部

広く一般にも認識されるようになった．

分もあるが，レアメタルの歴史や今後の動向を理解する上で有用である．

一方，電子材料用のレアメタルと同様，古くから利用され 合金用レアメタル」がある．
てきたレアメタルとして，「◯レアメタルの多くは，電子材料や磁性材料として利用されその代表格は，工具材料や特殊鋼の基幹素材としても不可欠てきた．ハイテク製品には必須の基幹材料であるが，製品中なタングステン( W)やコバルト(Co )，ニッケル(Ni)，クロの部品の素材として利用されて通常の生活では直接目にする

ム( Cr )などである．また，バナジウム( V )やニオブ( Nb )なことが無いため，一般には馴染みの少ない元素であった．しどのように，鉄鋼材料の添加用の合金元素としての需要が大かし，デジタル機器の高性能化と普及に伴ってレアメタルのきいものもある．これらの元素は，鉄鋼やアルミニウム合金

 電子材料用レアメタル」の中には用途が拡大した結果，「◯の性能を向上させる添加元素として利用される．

価格が高騰するものも多くなり，メディアに登場して一般の鉄(Fe)やアルミニウム(Al)，銅(Cu)などと比べれば，こ

話題となるレアメタルも多い(2)(3) ．電子機器には不可欠なれらの添加元素として利用されるレアメタルの使用量は微々



特

集

 合金用たるものである．しかし，鉄鋼関係に利用される「◯料とする多結晶シリコン太陽電池や周辺の制御装置も基幹材

レアメタル」は，鉄鋼やアルミニウム合金の産業そのものが料として多くのレアメタルが使われる．また，今後発展が期桁違いに大きいため，レアメタルの中では消費量が大きいこ待される新型太陽電池も多種多様のレアメタルを使用する．

とも特徴のひとつである．化学プラントや発電所などの反応

太陽光発電には，蓄電や変換(インバータ)，送電などの設備

容器や配管材料にも，レアメタルを含む特殊合金が多量に使も不可欠であるが，これらの機器の基幹部品には，レアメタ

われる．

ルやその化合物が多量に使用されている．

電子機器や自動車などの付加価値が大きい工業製品の高性
 電 子材 料 用レ ア メ タル 」 や
能 化 に 伴い ， 図 2 に 示 す「 ◯今後はロボットやドローンなどの関連産業に使われるレア
メタルの需要も増大するであろう．

 合金用レアメタル」の需要はこの 30年間で飛躍的に増大「◯.

した．今後もこれらのレアメタルの重要性はさらに増大する

レアメタルのリサイクルの重要性ため，レアメタルの用途や生産量は一層拡大するであろう．
特に，中国をはじめとする新興国の経済発展は，これらのレレアメタルというと，「希少金属→枯渇」といった短絡的

アメタルの需要を今後さらに拡大させる要因となっている．

な理解に基づいた内容でのメディア報道が多い．しかし，実航空関連産業の発展に伴い，航空機などの構造材として使際にはレアアースをはじめとする多くのレアメタルの供給面

 空飛ぶレアメタル」の需要も増大している．こ
用される「◯

では，資源の埋蔵量そのものはあまり問題ではなく，その採れらの「空飛ぶレアメタル」の代表格は，チタンであろう．

掘や製錬時のコストや環境負荷が問題となる．資源供給制約

軽くて抜群の強度を有するチタン合金は，航空機産業には不よりも，採掘や製錬の技術や環境負荷とこれらに関するコス

可欠な材料である．ジェットエンジンのタービンブレードにトの方が，大きな制約要因となっている事例の方が多いとい利用されるニッケル基超合金にも，多種多様のレアメタルがう事実を材料研究の関係者も認識するべきである．

使用されている．「空飛ぶレアメタル」の将来は明るく，今リサイクル原料からレアメタルを抽出して再利用する場合

後も一層発展するであろう．しかし，ニッケル基超合金の添には，天然鉱石を処理する際に発生する鉱物由来の難処理廃

加元素として利用されるレニウム( Re )やマイナーな白金族

棄物はまったく出ない．これはリサイクルによる資源循環利金属(Platinum Group Metals: PGMs)など，資源的に稀少で用の大きな利点のひとつである．

大幅な増産が困難なレアメタルの供給動向は筆者の気がかり

一例をあげると，高性能磁石に使用されるネオジムを鉱石の一つであり，これらのレアメタルのリサイクル技術の開発から抽出する場合，ウラン( U )やトリウム( Th )などの天然は重要な課題である．

由来の放射性元素(Naturally Occurring Radioactive Materi- 走るレ
自動車産業の発展に伴い，電子材料や合金用の「◯

als: NORM)を含む廃棄物が発生する場合が多い．しかし，アメタル」の需要も増大した．今後もこの傾向は一層加速す

工業製品のスクラップをリサイクルして，ネオジムを抽出するものと考えられる．なぜなら，燃費を向上させるためによる場合には，NORM を含む廃棄物は一切発生しない．

り軽量・高強度かつ高機能な材料を使うようになるであろう

現在の技術水準でレアメタルのリサイクル・コストを算出し，さらには，自動車に搭載される制御機器やセンサ，通信

すると，ほとんどのレアメタルについて，工業製品のスクラ

機器，電池，モータ類に使用されるレアメタルは，これまでップからリサイクルするのは，経済的にはメリットが少な以上に増えることが予想されるからである．

い．これは，鉱石や廃棄物の処理コストについて大きな地域

自動車に使われる電子部品は，同じ機能であっても携帯電差があり，天然鉱石を処理し，低いコストで廃棄物を処分し話や PC などに使われる電子部品よりも，はるかに高い信頼たほうがコスト的に有利なためである．例外として，白金族性が要求される．熱や振動，温度などの環境変化に対する長金属等の極めて価格が高いレアメタルや工場から工程内スク期間の安定性を追及する自動車用の電子部品には，一般の家

ラップとしてまとまった量が発生するレアメタルのスクラッ

電製品より多くのレアメタルが必要となる．このため，自動プについては，リサイクルに経済的な合理性が生じる．

車の電装化に伴い，「走るレアメタル」の需要は増大した．

レアメタルについては，経済的な観点からばかりではな

将来，ハイブリッド自動車や燃料電池自動車が増産される

く，鉱物資源や地球環境を保全するという観点からリサイク

ようになると，高出力モータや触媒材料の需要が大幅に拡大

ルを推進するべきであると筆者は考えている．レアメタルのする．特に，高性能磁石の素材として不可欠なネオジム

鉱石の採掘やその製錬には，環境を破壊する場合が多く，修(Nd)やジスプロシウム(Dy)などのレアアース，排ガス浄化

復が困難であることがリサイクルを推奨する主たる理由であ

触媒や燃料電池の触媒として不可欠な白金( Pt )やロジウム

る．

( Rh )などの白金族金属などの必要性は，さらに増大するで

しかし一方で，技術的に解決しなければならない課題や経あろう．車載用リチウム 2 次電池にはリチウム(Li)やコバル

済的なメリットを無視して強引にリサイクルを推進すると，

トなどのレアメタルが多量に使用される．自動車の高性能

別の問題を生むことも多い．工業製品の中のレアメタルを無化・高機能化に伴い，「走るレアメタル」の需要は，急激に理にリサイクルすると，ともすると膨大なエネルギーを消費増大する可能性が高い．

する，あるいは精錬工程から新たな有害物が発生すると言っさらに近年では，太陽電池をはじめとする，エネルギー関た問題があり，その処理コストの方が高くなる場合もある．

連のレアメタルも注目を集めている．高純度シリコンを主原

今後は，高効率，かつ，環境調和型のリサイクル技術の開発

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japanが重要となることは論をまたない．

世界的な増加，工業製品のさらなる高機能化，環境規制の強化などを背景に，レアメタルの需要は増大の一途をたどって.

環境調和型の高効率リサイクル技術

いる．
日本は，自国に有用な鉱物資源をほとんど持たないにもか鉱石からレアメタルを抽出して分離・精製する技術の多くはすでに確立されている．しかし，工業製品のスクラップ中

かわらず，大量のレアメタル資源を海外より調達し，製品や工業材料に加工して世界中に供給し富を得ている．

に微量に存在するレアメタルを効率良くリサイクルする技術

一方，寡占化した資源供給国が主導する資源戦略や環境保の開発は，現時点では十分に進んでいない．これは，天然鉱護政策などの様々な要因により，レアメタルの価格は常に乱石とは異なりスクラップ中に共存する元素が多様で，かつ時高下するリスクを抱えている．これらのリスクを回避しつ代とともにスクラップ中のレアメタルの含有量や不純物・有つ，レアメタル資源を継続的に安定して確保するためには，

害物の種類と量が大きく変化するためである．

スクラップからのレアメタルの回収による資源の循環利用が日本には，銅・鉛・亜鉛製錬の健全な産業が存在するた

重要となる．

め，スクラップ中の貴金属や銅については，これらの非鉄製

また，鉱物資源の採掘や製錬には自然環境の破壊を伴うこ錬プロセスを応用することにより効率良くリサイクルすることから，自然環境を維持しつつ持続的な社会の発展を実現さとができる．しかし，図 2 に列記したレアメタルのほとんせるためにも，環境に配慮したレアメタルの効率の良いリサ

どは，現状では，工業製品のスクラップからはリサイクルさ

イクル技術の開発が求められている．

れていない．これは，スクラップの回収だけでも大きなコス

レアメタルの製錬やリサイクル技術の開発において，現時

トがかかるだけでなく，現在の技術レベルでレアメタルをリ

点では日本は世界をリードしている．環境調和型の高効率リサイクルしようとすると処理が困難な廃棄物が発生する，あサイクル技術の開発とその技術の社会実装を通じて貴重な天

るいはエネルギー消費が大きい多段のプロセスを要する場合

然資源や環境の保全に貢献することが，われわれに課せられが多く，分離・抽出にコストがかかるためである．

た最重要課題であると考えている．

環境調和型のリサイクル技術の開発にあたって重要なポイ

文

ントは，以下の項目である．
◯

高効率・高速プロセスであること

◯省エネルギープロセスであること

◯

有害な廃棄物が発生しないプロセスであること

今後，環境規制は世界的な規模で強化されていくであろう．このため，有害な廃液や廃棄物を発生させずに，スクラ
ップ中のレアメタルを効率良く分離・回収する技術は海外でも重要となる．
以上の背景を踏まえ，筆者らは，有害な廃液や廃棄物が発生しない環境調和型のレアメタルのリサイクルの開発に取り組んでいる．一例を挙げると，王水や塩素ガスなどの強力な酸化剤を使わずに，簡単な前処理により，難溶性の白金を塩酸のみで高い効率で溶解する新しい技術の開発を行っている(7)．仮に貴金属を塩酸や塩水のみで溶解することができれば，有害な廃液を発生しない環境調和型のリサイクルプロセスが構築できる．また最近は，スクラップ中の貴金属を鉄などと合金化することにより，磁力などを用いて効率良く物理( 1 ) 岡部 徹レアアースをはじめとするレアメタルの資源戦略と環境制約，環境情報科学，43(2015), 16.
( 2 ) 岡部 徹，野瀬勝弘レアメタルの供給や需要に関する今後の展望，金属，83(2013), 943949.
( 3 ) 岡 部 徹  レ アメ タ ル の 実 情 と 日本 の 課 題 ， 工業 材 料 ， 55
(2007), 18
25.
( 4 ) 岡部 徹レアメタルにまつわる誤解，現代化学， no.448 ，(2008), 16
21.
( 5 ) レアメタル辞典，堂山昌男 監修，フジ・テクノシステム/日本工業技術振興協会編集，東京，(1991).
( 6 ) レアメタル便覧 第 1 版，足立吟也 監修，丸善株式会社，東京，(2011).
( 7 ) C. Horike, K. Morita and T. H. Okabe: Effective Dissolution of
Platinum by Using Chloride Salts in Recovery Process, Metall.
Mater. Trans. B, 43B(2012), 13001307.
( 8 ) Y. Taninouchi, A. Suzue and T. H. Okabe: Upgrade of
Autocatalyst Scrap for Recycling Platinum Group Metals,
Proceedings of Bill Davenport Honorary Symposium of COM
2014, Vancouver, Canada, Sep. 27Oct. 1, (2014), No. 8455.
ISBN: 9781926872247.

的に分離・回収する新しいリサイクル技術の開発も行ってい★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

る(8)．
現時点では，コスト等を考えると実用化は難しいものがほ
とんどであるものの，将来的には技術革新と新たな社会シス
テム構築により，工業製品のスクラップからレアメタルを効
率良くリサイクルして循環利用する新技術の開発が期待される．
岡部

.

お わ

り

に

現代の便利で豊かな社会を支えるべく高機能化された様々

献徹

1993年 京都大学 大学院博士課程修了
1993 ～ 1995 年 マサチューセッツ工科大学( MIT )博士研究員
東北大学 素材工学研究所助手を経て，2001年より東京大学 生産技術研究所助教授．
09年から教授．15年度より，同研究所 副所長．
◎ 25 年以上，一貫してレアメタルの研究に取り組んでいる．“プロセス技術がレアメタルをコモンメタ
ルに変える”ことを夢見て，チタンなどの新製錬技術の開発を行っている．最近は，白金族金属，
レアアース，レニウムなどのレアメタルの製造プ
ロセスや新規リサイクル技術，環境技術の研究も行っている．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

な工業製品には，種々のレアメタルおよびその化合物が多量に利用されている．新興国の発展によるレアメタル消費量の



特

集

高温変形・クリープ・超塑性に関する
今後の展望
佐

藤

英

一

温での力学的挙動の物理的基礎と産業界への展開について，

.

は じ

め

に

最近の進展と今後の展望を簡単に纏める．このテーマに関しては， 20 年前の創立 60 周年記念特集で丸山(4) と佐久間(5) に高温における材料の力学的挙動には，室温での挙動と異なより現状と展望が纏められているので，本稿ではその後の進り拡散が関与するようになり，降伏応力以下の低応力でも時展を主眼とすることにし，個々の高温材料については本特集間に依存する塑性変形(クリープ)が生じるようになる．この号の竹山(6)の記事に譲る．また，頁制限が厳しいので，古いことから，熱機関(エンジン)等の高温部材の設計には，降伏

原論文ではなく，最近のレビューを中心に原論文を少数引用

応力や引張強さだけではなく長時間クリープ強度をも考慮しする．

た許容応力を用いる必要がある．一方，構造部材の効率的製

.

作には，温間・熱間での加工を利用してできるだけニアネッ
トシェイプに成形することが望まれている．超塑性は，高温変形の一つのモードであるが，特にニアネットシェイプ成形に適した変形モードであり，航空宇宙分野を中心に部材成形への適用が図られてきている．




ク

リ

ー

プ

定常クリープ

通常の多結晶材料に高温で応力を負荷すると，温度・応力・粒径などに応じて，転位クリープ・拡散クリープ・超塑

これらの分野に対し，春秋の講演大会では，個別の材料名

性変形などが生じる．これらの現象を理解するために，いわを冠しないセッションとして「高温変形・クリープ・超塑性」

ゆる定常状態に注目して特性を整理し理解する試みが続けらがもたれている．これに加え「高温変形夏の学校｣† が毎年れ，多くの知見が得られてきた(7)．

夏に開催され，講演大会では個別材料のセッションに散らば

降伏応力以上の応力を負荷すると，室温での挙動と同じくっていた研究者が一堂に会する場がもたれている．また塑性

転位はパイエルス障壁・固溶原子・分散粒子・転位などの障加工学分野にもまたがる超塑性に関しては，産業界も含めた害物を外力と熱振動により乗り越え，転位のすべり運動によ

研究コミュニティ「超塑性研究会」が活動を続けている(1)．

り塑性変形が生じる．一方非常に低い応力を負荷すると，応クリープと超塑性は国際的にも日本の貢献が大きな分野であ力に誘起された拡散が結晶粒内で起き，NabarroHerring あり，2012年 5 月には Creep2012 (12th Int. Conf. Creep and

るいは Coble クリープと呼ばれる拡散クリープが生じる．

Fracture of Engineering Materials and Structures)が京都

この中間の応力では，拡散の寄与により転位が上昇運動を起で(2)，2015年 9 月には ICSAM2015 (12th Int. Conf. Super-

こして障害物を乗り越える，あるいは障害物を引きずること

plasticity in Advanced Materials)が東京で開催された(3)．

で転位のすべり運動が継続するようになり，これを転位クリ

本稿では，特に個別の材料に限定することなく，材料の高ープと呼ぶ．なお転位クリープと拡散クリープの間の応力で

宇宙航空研究開発機構 宇宙科学研究所教授(〒2525210 相模原市中央区由野台 3
11)
Future Prospects on High Temperature Deformation, Creep and Superplasticity; Eiichi Sato(Institute of Space and Astronautical Science,
Japan Aerospace Exploration Agency, Sagamihara)
Keywords: high temperature deformation, creep, superplasticity, grain boundary, dislocation† 2005～2010先進材料の高温強度と組織研究会

2010～2015高温強度と組織形成の材料科学研究会
高温変形の組織ダイナミクス研究会
2015～
2016年 5 月10日受理[doi:10.2320/materia.56.161]

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japanは，第 3 節で述べる粒界すべりを主要メカニズムとした超塑性変形が生じる．
純金属の転位クリープでは，変形中に転位が再配列して亜結晶粒界が形成される．金属のパイエルス障壁は熱振動に比べ十分に小さいので，転位は亜結晶粒内を自由飛行的にすべり運動し，先方の亜結晶粒界で一旦止まるが，回復により亜結晶粒界の内部応力が低下すると，転位は亜結晶粒界を乗り越え，変形が継続していく．このときの変形は回復速度に律速され，回復律速型転位クリープと呼ばれる．
材料のクリープ強度の向上には，固溶強化・分散強化・結晶粒微細化・規則化などが有効である．固溶体合金ではクリープ中に亜結晶粒界が形成されず，転位は粒内に均一分布する．刃状転位の廻りには主にサイズ効果により溶質原子の雰囲気が形成され，転位は溶質雰囲気を引きずりながら粘性的
すべり運動をする．らせん転位は溶質原子とほとんど相互作
用せず高速運動してしまうため，変形中に存在する転位は主に刃状転位となる．したがって変形は刃状転位のすべり速度

図1

アルミニウムの変形機構領域図(d＝10 mm)8).

に律速され，すべり律速型転位クリープと呼ばれる．
分散強化合金では，応力の低下と共に変形速度が急速に低化，微細結晶粒は粒成長，強加工組織は回復をおこし，全体

下し，それ以下では変形がほとんど進行しないしきい応力がとして材料の弱化をもたらす．前節で述べたようなクリープ

出現する．室温では粒子廻りにループを残しながら粒子間ににおける定常状態は長時間にわたり転位密度が一定であるこ転位が張り出す Orowan 機構が働くのに対し，高温低ひずみとを前提にしている．実用材料の多くでは定常状態は明瞭に速度の変形では粒子界面での拡散で転位の応力が緩和され，は存在せず，硬化と弱化が釣り合った最小クリープ速度が観

転位は粒子に引きつけられ粒子間に張り出す Srolovitz 機構

察できるのみである．

が働くようになる．このときボイドでも粒子でも Orowan 応ープ速度だけでなく，クリープ曲線全体をひずみ e を経過時

力の 8 割程度のボイド強化応力が出現する．
上述の高温変形一般における定常変形速度 ·e は，応力 sと温度 T に強く依存し，粒径 d にも依存し，·e＝ ·e0GQk bT(db ) (Gs ) (bD)pn2

このような材料のクリープ変形を把握するには，最小クリ間 t の関数として記述するクリープ構成式が必要である．式( 2 )のように材料の硬化と弱化の挙動を表す 2 つの項と瞬間塑性ひずみ e0 の和で表現する u 法が提案されている．

(1)

e＝e0＋A[1－exp(1－at )]＋B[exp(at )－1］·e0変形機構により定まり s や T に依存しない材料定数

A, B加工硬化と組織弱化に関係するパラメータQ原子体積a変形の素過程に関係する速度定数bバーガーズベクトルの大きさk0ボルツマン定数D拡散係数G剛性率p粒径指数n応力指数と纏めることができる．ちなみに転位クリープでは p＝0 とされている．

(2)

最近では，通常の意味での定常クリープを含め，ひずみ速度のひずみ依存性に注目して簡便にクリープ曲線全体を記述する試みも行われている(9)．
次節の余寿命評価において，寿命末期を検出するクラック

それら各変形機構の発現領域を図式化するものとして，変などではなく，変形初期からの組織変化を非破壊的に評価す

形 機 構 領 域 図 が 提 案 さ れ ， Ashby の 著 書 「 Deformation 

ることができれば，非定常クリープ挙動をよく理解すること

Mechanism Maps｣(8) に纏められている．現在，この内容はができると期待されている．

Web 上でも閲覧できる．図には，代表例として粒径 10mm のアルミニウムのものを示す．図中の太線が塑性変形・




余寿命評価

転位クリープ(べき乗則クリープ)・拡散クリープ各領域の境

高温機器の材料は，経年使用中に，クリープボイドの発生界を示し，細線がそれぞれのひずみ速度・温度における変形や微小き裂の発生，組織変化などを起こす．これらの材料デ応力を示す．

ータは，NIMS(物質・材料研究機構)で系統的に実験・整備



非定常クリープ

されており，国際的にも信頼性のあるクリープデータシートとして発行されている(10)．

実用材料の多くは，析出強化・結晶粒微細化・加工硬化な

また，これら材料劣化を観察・評価することにより経年劣

どを組み合わせて強度上昇を図っているが，これらは熱的に化や余寿命の評価を行なうことが，実プラントで行われてい安定ではない．高温長時間の変形中に，析出物は凝集・粗大る(11) ．余寿命評価は，実機材から切り出したサンプリング



特

集

材を用いる破壊試験法と，非破壊的にクリープボイドやき裂

る．多結晶体における粒界すべりは，通常のクリープ変形での発見，組織変化などを検出する非破壊検査法とを併用しては早期破断をもたらすのに対し，超塑性では逆に大変形をも行う．非破壊試験で検出する指標は必ずしも損傷量 0からたらしている．すなわち，超塑性では粒界すべりに対する微100にわたって変化するわけではない．寿命評価にあたっ視的な緩和プロセス(調整機構)が十分高速で働いており，こては，これらの指標で寿命のどの範囲が検出可能か，対象材の緩和プロセスが変形全体を律速していることになる．しか質の特徴を考慮して，適切な手法を選定，併用する必要があ

しながら詳細な緩和プロセスの理解は，今もって不十分なまる．一方，サンプリング後も部材の使用が継続できるミニチ

まである．
基本的な超塑性モデルは 1970 年代にはすでに提案されてュアサンプリング法が開発，実用化されてきている．


いる．緩和プロセスを拡散機構とするモデルでは，より高温

クリープ疲労低速側で生じる拡散クリープとの違いを明確にする必要があ

高温応力負荷中に，振動などによる高サイクル疲労，あるる．拡散クリープでは粒が伸長して変形が進むのに対し，超いはシステム起動停止などによる低サイクル疲労が重畳する

塑性では結晶粒同士が互いに位置を交換するスイッチングがことが問題になることがあり，この現象をクリープ疲労と呼おき，大変形後も結晶粒が伸張しないというモデルが提唱さぶ(11)．通常，クリープ疲労損傷率 F は，単純高温疲労損傷れている．一方，緩和プロセスを転位機構とするモデルで率 m/mf と単純クリープ損傷率 t/tc の線形和で近似する次式

は，より低温高速側で働く転位クリープと区別する必要があの線形損傷則で評価する．

る．転位クリープでは結晶粒内に亜結晶粒組織が形成されるのに対し，超塑性では，転位は結晶粒内を伝播できず粒界近

m t
F＝ ＋
m f tc(3)

傍のマントルに留まるとするものと，転位は粒内に伝播するが微細な結晶粒内に亜結晶粒組織が形成されないとするもの

F損傷率(0＜D＜1)の，主に 2 つのモデルが提唱されている．なお，これらのm使用回数mf疲労破断回数t使用時間tcクリープ破断時間

粒界すべりはすべての粒界で生じるのではなく，数個のグループ単位ですべりを起こすという協調的粒界すべりを示す．

特に，この線形損傷則が成り立たない場合は，危険側の設計

超塑性変形後に結晶粒内に転位を観察したという報告は多評価を与えてしまうので大きな問題となる． SUS304 鋼や数あるが，それだけで超塑性粒界すべりを理解したことには

2.25Cr1Mo 鋼などでは線形損傷則は成立しないとされてきならず，大変形・メゾスコピックな現象に対し実験結果に基たが，これは見かけ上のことで，高温酸化の影響をなくした

づいた詳細なモデル化が求められてきた．近年 FIB の発達

場合には線形損傷則が成り立つことが示されている．一方，により微細で精度のよいけがき線を描くことが可能となり，線形損傷則から逸脱する現象も存在し，その実例として，最粒界すべりの詳細な観察がされるようになってきた．その結近示されたロケットエンジン用銅合金における極低サイクル

果，従来推定されてきた結晶粒スイッチングなどのメカニズ

大振幅クリープ疲労を挙げる(12)．

ムが実際に観察されるようになってきた(14) ．図では，5083 超塑性アルミニウム合金において，もともと粒 A ・ B

. 超

塑

性

が接して， C・ D が離れていたものが，変形後には粒 A ・ B
が離れ，C・D が接しかかっているのが観察できる．また，

超塑性とは金属やセラミックスがある種の条件で非常に大C ・ D の間のけがき線格子の幾つかが消失している．しかきな引張伸びを示す現象を指し，この実用化は低コスト・省

し，試料表面の挙動は必ずしも内部の挙動を再現しているわ

資源のニアネットシェイプ部材製造法として期待されている．なお一般的な超塑性(微細粒超塑性)のほかに，相変態を持つ材料や金属基複合材料に繰り返し温度サイクルを加えて変態ひずみや熱ひずみを発生させながら変形させるという内部応力超塑性も存在するが(13) ，本稿ではこれ以上触れな
い．また，セラミックス超塑性についても触れる余裕がないことをお断りしておく．


超塑性変形機構

典型的な(微細粒)超塑性の特徴として，


等軸微細粒組織の材料が高温低ひずみ速度で変形すると，



変形応力に高いひずみ速度感受性を示し，



ネッキングなしに大きな引張伸びを示す(一般に数百)ことが挙げられる．すでに佐久間の解説(5)の時点で，超塑性の主要な変形機構は粒界すべりであると認識されてきてい

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan

図2

FIB で試料表面に描かれたグリッド拡散緩和によるとされる粒のスイッチングプロセスが観察できる(14).



前後の一連の SUPRAL 合金の開発に始まった．この合金は，
Al3Zr のような微細整合粒子を析出させ，粒界のピン止め力を高めて静的再結晶を阻止し，高温変形中に亜結晶粒組織を
大角粒化させて超塑性を発現させるという連続動的再結晶を利用している． SUPRAL 合金は高級自動車や鉄道などの地
上輸送機器に使われた．これと前後して， Zr を含まない通常の合金に対して，前述の粗大析出物を利用するなどの加工
熱処理による結晶粒微細化が行われ， A2024 合金や A7475
図3

EBSP/ KAM マップひずみ速度の遅い側( a )と早い側(b)で幾何学的必要転位の堆積の違いが観察できる(16).

合金などの高力アルミニウム合金の超塑性成形が，主に航空機産業で使用されるようになってきた．この結晶粒微細化
は，もともとは 7475 合金の応力腐食割れ性改善のためになされてきたということである．さらに，非熱処理合金である
超塑性 5083 合金は，航空機に加えて，自動車・建築などへけではなく，観察されたけがき線の消失が拡散による物質移も使われるようになってきた．航空機産業での使用には航空動を示している(14) のか，単に隣の粒が面外方向にせり上が機メーカの認定を得る必要があり，超塑性 5083 合金の一つってきただけ(15) なのか，議論に決着が付かない状態であである ALNOVI 1 が 2004 年に Airbus 社の認定を取得してる．最近，鉛筆を束ねたような伸張粒組織材料をもちいて 2いる．

次元的粒界すべりを現実の材料で実現させ，ひずみ速度領域

代表的な a ＋ b 型チタン合金である Ti 6Al 4V 合金は，に応じて各種の緩和プロセスが働く様子が観察されている二相組織を利用して容易に微細化でき，古くより超塑性を示(図)(16)．

すことが知られてきた(20)．航空機では，アルミニウム合金



より耐熱性が要求される部材で使用されるが，加工性が悪い

超微細粒材料ため，従来は鋳造あるいは熱間成形素材からの切削加工され超塑性は微細粒組織で出現するので，最初期の超塑性合金てきたスキン－リブ構造部材を，超塑性シート成形で一体成は，共晶・共析の等軸二相合金であった．その後，一般の合形する，必要ならば拡散接合を同時に行う SPF/ DB 法を適

金を加工熱処理で微細粒化した材料が開発された．ここで用して，重量とコストの削減を達成してきている．

は，ある程度の粗大析出物を析出させた状態で強圧延し，ひより低温での超塑性発現を目指して， brich a ＋ b チタン

ずみの蓄積を促進させ，再結晶の際に微細化させるという方SP 700 合金( Ti 4.5Al 3V 2Fe 2Mo, AMS 4899C )が JFE法がとられている．また，急冷凝固や MA による粉末を用スチールで開発され，日本発の合金として AMS(Aerospace

いた粉末冶金法により超微細粒材料が創製され， 10－2 s－1

Material Specifications)を取得し，航空宇宙産業で使われる以上の高速超塑性も示されている．

ようになってきている(21) ．現在コスト削減のため Fe 濃度

1990 年代になって，種々の鋳造合金に対し強ひずみ加工(SPD, Sever Plastic Deformation)を適用し，粒径 1 mm以下を下げた TIMETAL54M 合金( Ti 5Al 4V 0.75Mo 0.5Fe )などが開発されている(22)．

の超微細粒(UFG, Ultra Fine Grain)材料が創製された(17)．
これらの方法には，ECAP(EqualChannel

AngularPress-

.

お

わ

り

に

ing )法・ HPT ( High Pressure Torsion )法・ ARB ( Accumulative Roll Bonding)法などが挙げられる．これらは皆，加工

高温では材料の組織と力学応答が時々刻々変化しているこ

前後での素材形状に変化がないことが特徴で，バルク状態をとが強く認識されるようになってきた．近年の力学挙動の評保ったままで材料に巨大なひずみを付与することができる．

価技術や材料学的組織解析技術は飛躍的な発展を遂げておSPD は各種アルミニウム合金やチタン合金ばかりでなく，り，これらの技術を駆使して高温における力学的挙動と組織

Ni3Al などの金属間化合物にも適用され，それぞれの材料に変化の相互作用をより深く理解し，適切な余寿命評価に繋げ応じた高速・低温超塑性が実現されたとともに，高強度・高ることが行われてきている．

延性というすばらしい力学特性も得られている．

超塑性変形は，高温変形の一つのモードであるが，特にニUFG 材料は，研究室レベルで小さな素材しか得られてきアネットシェイプ成形に適した変形モードであり，航空宇宙ていなかったが，最近 HPS ( High Pressure Sliding )法によ分野を中心に部材成形への適用が図られてきている．その基り板材が作製されるようになった(18) ．今後大型素材が創製

本的変形機構がいよいよ解明されつつあるとともに，高温でされるようになれば， UFG 材料の実用化への検討も広がるのダイナミックな組織変化を利用して，高速・低温・高精度のではないかと期待される．

の高度超塑性成形の開発を進めて，産業界からの要求に応え




実用化

ていく必要がある．

超塑性アルミニウム合金の本格的な実用化(19)は， 1970年



特

集

文

献

( 1 ) 超塑性研究会，HP http://superplasticity.jp/.
( 2 ) Proc. 12th Int. Conf. Creep and Fracture of Engineering Materials and Structures, The Japan Inst. Metals, (2012).
( 3 ) Materials Science Forum, 838839(2016).
( 4 ) 丸山公一まてりあ，36(1997), 877880.
( 5 ) 佐久間健人まてりあ，36(1997), 881884.
( 6 ) 竹山雅夫まてりあ，56(2017), 145150.
( 7 ) 丸山公一，中島英治高温強度の材料科学，内田老鶴圃，(1996).
( 8 ) H. J. Frost and M. F. Ashby: DeformationMechanism Maps,
Pargamon Press, (1982), http://engineering.dartmouth.edu/
defmech/.
( 9 ) H. Sato, K. Omote, A. Sato and K. Ueno: Key Eng. Mater.,
592593(2014), 606609.
(10) NIMSクリープデータシート(Creep and rupture data of heat
resistant steels, Creep and rupture data of superalloys), MatNavi (http://mits.nims.go.jp).
( 11 ) 中代雅士，河野 豊，石井 順 IIC REVIEW ， 40(2008) ,3352.
(12) M. Deguchi, H. Tobe and E. Sato: Int. J. Fatigue, 87(2016),
351358.
(13) 北薗幸一，佐藤英一まてりあ，38(1999), 429
435.

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan(14) M. A. Rust and R. I. Todd: Acta Mater., 59(2011), 51595172.
(15) E. Alabort, P. Kontis, D. Barba, K. Dragnevski and R. C. Reed:
Acta Mater., 105(2016), 449463.
( 16 ) 増田紘士，谷口 聡，佐藤英一，杉野義都，鵜飼重治日本
金属学会誌，79(2015), 287294.
(17) R. Valiev and I. P. Semenova: Mater. Sci. Forum, 838
839
(2016), 2333.
(18) A. P. Zhilyaev and T. G. Langdon: Prog. Mater. Sci., 53(2008), 893
979.
(19) A. J. Barnes, H. Raman, A. Lowerson and D. Edwards: Mater.
Sci. Forum, 735(2013), 361371.
(20) L. D. Hefti: Mater. Sci. Forum, 735(2013), 338346.
(21) JFE 技報，No. 5 (2004), 63
64.
(22) Y. Kosaka and P. Gudipati: Key Eng. Mater., 433(2010), 311
317.
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
1985 年 3 月

佐藤英一

東京大学大学院工学系研究科修士課程修了
1985年 4 月 宇宙科学研究所助手
1994年10月 宇宙科学研究所助教授
2006年10月 現職
専門分野高温変形，宇宙飛翔体用構造材料◎結晶性材料の高温変形に関する基礎研究に加え，宇宙飛翔体(ロケット，衛星など)で使われる材料の研究も行っており，特殊な極限環境における材料の力
学特性と信頼性向上に取り組んでいる．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

ポーラス材料研究の進歩と展望

中

嶋

英

雄

難 い ． ポ ー ラ ス 材 料 の 書 と し て は L. J. Gibson と M. F.

.

は じ

め

に

Ashby 著の Cellular Solids ( Pergamon Press )(1) を始めとして数種の著書がある．過去 10 年間では文献( 2)～( 5 )の著書
発泡金属，スポンジ状金属，セル構造体，一方向に気孔をが出版されており，国際会議( Metfoam, Cellmat )論文集も有するロータス金属，焼結金属などの多数の孔をもつポーラ

update の研究を知る上で役に立つ．本稿では過去 10 年間，

ス(多孔質)金属は軽量構造材料や優れた吸音性，衝撃吸収

国内で活発に行われてきた研究の概略を紹介する．前半では性，濾過性などの機能材料として注目されている．また，金発泡金属，セル構造体，ロータス金属などのマクロポーラス

属のみならずセラミックス，半導体，高分子材料などのポー

金属の作製，物性などの研究を紹介し，後半ではナノポーラ

ラス材料もユニークな機能を示す材料としてさまざまな分野

ス材料の研究の現状を解説する．最後にこれらの分野におけで関心がもたれており，一部は実用材料に供されている．とる展望を述べる．

ころで，従来の新材料の多くは合金元素の添加(合金化)，熱.

処理，塑性加工，粉末焼結などの手法を駆使することによっマクロポーラス金属て新たな機能性を創出してきた．また，材料の完全度を高めるために空隙の少ない高密度化が図られてきた．これに対し気孔径が数 10 mm から数 mm に及ぶ大きな気孔を有する

ポーラス材料は合金化，熱処理，塑性加工，粉末焼結などのものをマクロポーラス金属と呼ぶことにする．気孔が等方的手法を使わず，むしろ材料内の欠陥や空隙などを有効に利用

な，球状あるいは多面体状の形状をもつ等方性ポーラス金属

し，その形態を制御して新材料を創製しようとするものであと気孔が一方向に伸びた異方的な円柱状の形状を有する異方る．また，ポーラス材料は材料の高密度化ではなく低密度化

性ポーラス金属とに区別することができる．

を積極的に図ったもので，従来の新材料の創出手法からすれば異端的な発想に基づいた材料手法である．つまり，材料内に空隙という「無の空間」を作ることによって新しい機能を発現させようとするものである．



等方性ポーラス金属



摩擦撹拌法を用いた発泡アルミニウム合金の作製と圧
縮特性

今から 12 年前にアジアで初めて京都においてポーラス金

半 谷 ら は 2 枚 の ア ル ミ ニ ウ ム 合 金 ( サ イ ズ 80 × 120 × 3

属および発泡金属に関する国際会議( Metfoam2005 )が日本

mmt)の間に発泡剤 TiH2(1 mass)および粘性調整剤 Al2O3

金属学会主催で開催された(JIMIC4)．それ以降，我が国の( 3 mass )を挿入させアルミニウム合金板の片面を摩擦撹

ポーラス金属の系統的な研究は発泡アルミニウムやロータス

拌接合機を用いて高速度鋼ツールを 1400～3000 rpm に回転金属に関して精力的に行われてきた．また，特筆すべきは新させながら摩擦熱を生じさせて両面を接合させた後，973～

たにナノポーラス材料の研究が芽生え活発に行われるように

1048 K で 10 min 加熱し水素化物を分解し発泡させた(6)．気なってきたことである．ポーラス材料は新しい領域の学問で孔はクローズド(閉口)気孔で気孔率は 80 程度，気孔サイあり，まだ材料学としての体系が完全に構築されたとは言い

ズは 2～ 5 mm 程度の発泡アルミニウム合金を作製した．圧

公益財団法人若狭湾エネルギー研究センター所長(〒9140192 敦賀市長谷64521)
Development of Research of Porous Materials for Recent 10 Years and Its Prospect; Hideo Nakajima(The Wakasa Wan Energy ResearchCenter, Tsuruga)
Keywords: porous materials, foam metals, cellular materials, solidification, structural materials, functional materials
2016年 3 月16日受理[doi:10.2320/materia.56.166]



特

集

縮試験で発泡金属に特有の応力―ひずみ曲線に大きなプラト
ー領域のあることを確認した．


発泡アルミニウムの作製

溶融アルミニウムに 1.5 の Ca を添加し均一化撹拌しア
ルミニウムの粘性を高めた後，TiH2 を1.6加えるとそれが甲板に有用であると報告している(11)．


異方性ポーラス金属



融点におけるガスの溶解度差を利用したロータス金属の作製，物性および応用

水素に解離して水素バブルを形成し凝固させて発泡アルミニ

ロータス金属は溶融金属におけるガス原子の溶解度が大きウムを作製することができる．気孔サイズは 4 ～ 5 mm 程

く，その固体金属中での固溶度が小さい場合，凝固時に固溶

度，気孔率は 90 ～ 93 程度である．この製法はアルポラス

しきれないガス原子が気孔を形成することを利用して作製さ法として広く知られている(7)が，門井らは増粘剤に Ca と Alれる．中嶋らがこの分野の精力的な研究開発を行ってい粉末を用い添加量，撹拌時間を変化させ増粘の影響を系統的る(12)(13)．この10年間では窒素ガスを用いた強力なロータスに調べている(8)．(神鋼鋼線工業株式会社で開発されたアル

鉄および鉄鋼の作製，水素ガスを用いたロータスマグネシウ

ポラス(商標)は，多数の欧米の研究者に発泡金属のモデル試

ム，アルミニウム，シリコン，鉄，コバルト，ニッケル，銅料として長い間使われてきた．その功績は大きい．）の作製，酸素ガスを用いたロータス銀の作製などを行ってい

燃焼合成を利用した発泡金属間化合物の作製

る．溶解凝固法としては，彼らは鋳型鋳造法，チョクラルス



小橋らは Ti と B4C とが激しい発熱反応を起こすことを利

キー法，連続帯溶融法および連続鋳造法を開発した．実用量

用して粉末 Ti と Al を合金化させる方法を開発した(9) ．粉産化のためには均一な気孔サイズや気孔率を有する大きなロ

末 Al, Ti, B4C を混ぜ合わせ高圧の冷間あるいは熱間押出しータス金属を作製しなければならない．そのために連続鋳造によりシリンダー状の緻密粉体を成形する．それをアルゴン法が考案された．既存のノンポーラス金属作製のための連続雰囲気中で高周波加熱すると 3Ti＋ B4C→ 2TiB2＋ TiC ＋ 761

鋳造法では，凝固収縮により凝固させたインゴットを鋳型内

kJ / mol の発熱が起こり，それによって 3Al ＋ Ti → Al3Ti ＋を円滑に移動させることができるが，ロータス金属の場合に

146 kJ / mol の反応が 10 s 程度起こり最高温度は Al3Ti の融は気孔の形成による大きな体積膨張が起こり，凝固させたイ

点 1613 K に達し Al3Ti と気孔が形成される．出発材料に含ンゴットを鋳型内に移動させることは困難であると予想されまれた水分が分解して水素の気孔が生成される．気孔率はた．しかしながら気孔形成による体積膨張を流動性ある溶湯

40～80，気孔サイズは 1～5 mm である．瞬時の発熱によの方に導くことによりこの問題を解決しロータス金属の作製って作製されるメリットがあるが，気孔の均一性は今後の課が可能な連続鋳造法を開発した．凝固速度の増加と共にロー題である．

タス金属の気孔径が減少することを見出し，これは凝固速度

繰返し重ね接合圧延による発泡アルミニウムの作製の増加に伴う過冷却により気孔の核生成サイトが増加するた

表面処理したアルミニウム板上に TiH2 粉末を付着させそめであると考えられる．また，同グループは高圧の水素ガス

れらを積層し圧下率約 50 で圧延すると同時に接合する．

を用いずに溶融金属にガス化合物(ガス元素と金属元素より

長さが 2 倍になった板を半分に切断し，最初と同様の表面構成される化合物)を添加するロータス金属の新規な製法処理を施した後，再び圧延接合する．このサイクルを繰り返「ガス化合物熱分解法」を開発した．0.1 MPa のアルゴンガ

すことにより発泡剤粒子( TiH2)がアルミニウム中に細かなス雰囲気下で水素ガスを用いずに TiH2 ペレットを溶融金属

層状に積層される．これを発泡温度 843 ～ 923 K においてに添加して一方向凝固させることによってロータス金属が作

60 s 加熱すると発泡アルミニウムが生成される．気孔率は製される簡便な製法を開発した．

最大50，気孔サイズは 1～3 mm 程度である(10)．


発泡金属の応用開発

これらのロータス金属の機械的特性が詳細に調べられている．一方向気孔の方向に依存した強度の異方性が顕著であ

発泡アルミニウム(アルポラス)は優れた吸音性を示すこと

る．気孔に平行な方向における機械的強度(引張，圧縮，疲から阪神高速道路の防音壁に実用化されている．また，発泡

労，曲げ強度)は垂直な方向の強度よりも大きい．平行方向

金属の機械的性質のうち応用を見越して圧縮試験が多くのグの比強度(単位体積当たりの強度)は気孔率の大小に関わらず

ループにより行われてきた．発泡金属を用いた自動車などの一定である．一方，気孔に垂直方向では荷重負荷時に気孔の衝撃吸収材などの応用開発研究もなされた．その結果，発泡周りに応力集中が発生し強度は低下することが明らかにされアルミニウム合金を用いた衝撃吸収材がフェラーリやベンツ

た．また，高速圧縮試験を行い，ロータス金属は衝撃吸収能製の自動車のクラッシュボックスとして搭載されているが，が極めて高いことを見出している．ロータス金属はオープン

残念ながら我が国の国産車には使用されていない．また，発気孔(開口気孔)内で音波エネルギーの吸収性が高いため吸音

泡金属をノンポーラス金属のケースに包み込んだサンドイッ

材として有用であること，弾性率や内部摩擦，熱伝導度，電チパネルがドイツのクレーン等に使用されている．北薗らは

気伝導度，磁化率に気孔の方向に起因した大きな異方性があ

発泡アルミニウムを用いた惑星探査機の着陸用脚への応用研ることを見出した．気孔方向の熱伝導度や電気伝導度は気孔究を行っている．米国陸軍研究所では発泡金属の応用研究をに垂直方向のそれらよりも大きい．これは気孔の垂直方向で行っており，発泡金属とセラミックス，ラバーなどを多層にはフォノンや伝導電子が気孔に散乱されやすいためであるとしたポーラスサンドイッチパネルを用いた防弾用の軽量化装

結 論 付 け て い る ． さ ら に ECAE ( Equal Channel Angular

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia JapanExtrusion Process)加工をロータス金属に施すと塑性押出加

で取り除き合金でなくすることで，残った成分 A がナノポ

工によって気孔を消滅させずに結晶粒を微細化することがでーラス構造を形成するという手法である．B を取り除く手法

きるので，ロータス金属の強化法として有望である．また，として通常は適切な酸による溶解が用いられる．袴田らは出レーザーによるロータス金属の溶接法の開発やロータス金属

発合金として Pd Co および Pd Ni を用いた(17) ． Pd の標準の腐食挙動の研究も行われた．ロータス金属はヒートシン

電極電位は Co, Ni のそれに比べて十分高い．従って，どちク，航空機用エンジン部材，工作機械部材，ゴルフパター，らの出発合金からも脱合金化によりナノポーラス Pd が形成

人工歯根などの応用開発が行われてきた．その中でもヒートされると予想された．しかしながら，結果は大きく異なり，シンクの実用化が近づいている．ロータス銅の貫通気孔に冷

硫酸中や硝酸中での電位印加による脱合金化を試した結果，媒を流すヒートシンクは従来の溝型ヒートシンクよりも数倍

Pd Co が出発合金の場合は電位印加と共に大きな電流が流の高い冷却能を有する．自動車のパワーモジュールの冷却やれ気孔径約 20 nm のナノポーラス構造が形成された．しかスーパーコンピューターのヒートシンクへの応用実用化が進し， Pd Ni では電解時にほとんど電流が流れず，ナノポー

められている(14)．

ラスにもならなかった．この結果から，ナノポーラス構造の液相へのパイプ浸漬によるロータス金属の作製

形成にはペア原子が溶解しやすいことだけではなく，残存元

ロータス金属の産業応用のためには安価で簡易な生産技術

素原子が固体/電解液界面で容易に拡散・集積し，絶えずペ

が必要であるという動機から鈴木らはパイプ浸漬法を提案した(15)．炉内で加熱保持した坩堝中の溶湯に下部を閉じた金属パイプ束を浸漬し，そのまま凝固させて方向性気孔を有するロータス金属を作製した．パイプには溶湯の温度より融点が高い金属を選ぶ必要がある． Al 13 mass  Si 合金溶湯にア元素が電解液に露出される必要があることを示した．
谷本らはナノポーラス金属の機械的性質と電気特性を(18)，藤田らは触媒，光学特性(19)を詳細に調べている．


陽極酸化によるナノチューブの作製

純アルミニウム A1050 パイプ 37 本を浸漬させて凝固させた

土谷らは水溶液中での陽極酸化によるポーラス酸化物層の結果，気孔率 39 ，気孔径 3 mm 直線貫通気孔を持つロー作製を行った(20)．フッ化水素を含まない硫酸水溶液中でチタスアルミニウムを作製できた．気孔径はパイプの内径で決タンを陽極酸化すると，Ti＋ 2H2O→TiO2＋ 4H＋ ＋4e－ に示

まり，気孔率はパイプ数で決まる．本製法では 1 mm 以下のすチタンの酸化反応が起こり酸化チタン層が形成される．電細孔を有するロータス金属を作製することが容易ではない．

解質溶液中にフッ化水素が含まれる場合，チタンの酸化反応

冷間押出とリーチングによるロータス銅の作製と共に TiO2 ＋ 6HF →[ TiF6 ]2－ ＋ 2H2O ＋ 2H＋ で示される酸

宇都宮らは冷温間塑性加工による固相接合を用い比強度の化チタンの溶解反応が起こり陽極酸化時間が経過すると共高いロータス金属の作製法を開発した(16) ．一端を閉じた長に，平らな酸化チタン層の下で酸化チタンの溶解によって酸さ 40 mm の q10.8 mm × 0.9 mmt の 無 酸 素 銅 管 の 中 に q7化チタン層中に細孔が形成され，その細孔の形成および成長

mm×0.5 mmt, q4 mm×0.5 mmt の銅管を同心円状に配置しにより表面積が増加する．ある程度，細孔の成長が進行するた三重管を構成した．管と管の間の空隙および中心の管の内と隣り合う細孔同士がドメインを共有するようになりその細側に q0.9 mm の銅線および q0.9 mm アルミニウム線を幾何

孔はそれ以上横方向に成長することができなくなりすべての学的に密に配置し押出素材とした．この試料をダイス角

細孔がチタン基板方向にのみ成長し酸化チタンナノチューブのダイを用いて押出し速度 0.05 mm/s，みかけの押出し60°が規則的に配列する．チタン以外にも Zr, Hf, Nb, Ta, W, Al

比 4.7 で外径が 5 mm になるよう冷間で押出しを行った．そなどで陽極酸化法によってナノチューブを作製することがでの 後 ， 試 料 を 軸 方 向 に 7 mm の 試 料 に 切 断 し て ， 常 温 のきる．

20NaOH 溶液に 1 日間浸漬してリーチングを行うと Al が溶けて気孔率 20 ～ 30 のロータス銅を作製することができる．量産化にはリーチングの高速化が課題である．



酸化反応を利用した酸化物中空ナノ粒子の作製

仲村らは金属ナノ粒子の酸化による中空構造化の研究を行

以上のように，過去 10 年間，国内外を問わず物性研究よった(21)．基板に 10～40 nm サイズの銅ナノ粒子を蒸着させりも作製法の開発研究がより活発に行われてきた．新しいポ

373 K で 0.6 ～ 3.6 ks 酸化させた．酸化前後の銅ナノ粒子のーラス材料の作製こそがブレイクスルーをもたらすとの期待変化を電顕観察して酸化による中空化を見出した．中空化機からであろう．

構は次のように考えられた．いま内部コアが銅でそれを覆うように酸化層が形成された場合，銅イオンが中心部から酸化.

ナノポーラス金属層の外方へ拡散し，内方へ酸素イオンが拡散する．銅イオン
はイオンサイズの大きな酸素イオンよりも速く拡散し，両種

気孔径が数 10 nm から数 100 nm に及ぶ小さな気孔をもつ
金属はナノポーラス金属と呼ばれている．



脱合金化法

脱合金化法とは合金 AxB1－x から片方の成分 B をある方法



の原子は空孔機構で拡散する．銅イオンの外方への拡散によって酸化が進行すると酸化層の成長に伴いコアの銅側により多くの原子空孔が流入しこれらが集積してカーケンドールボイドが形成される．粒子を構成するすべての銅原子が酸化層の形成に費やされると原子空孔の集合体の癒着が起こり内部

特集

孔を有する中空構造体が形成される．同様の傾向は鉄，ニッ
ケル，アルミニウムで観察されるが，鉛では中空化が認められなかった．これは酸素より大きな原子半径を有する鉛原子の拡散が酸素の拡散より遅いためである．
ナノポーラス金属の研究は，そのほとんどが製法開発の段階である．今後，ナノスケールでの気孔による新規物性の探索研究が望まれる．

.

ポーラス材料の研究の展望

これまでの多数のポーラス材料の研究は純金属をはじめ純物質を対象としてきた．気孔の生成や形態制御に注力してきたためである．しかしながら，今後は合金化(複合材料化)したポーラス材料研究を推進することが期待される．ポーラス
合金によってポーラス化機能だけではなく合金化による複合機能をも発現させることによって機能性材料としてのポーラ
ス材料の応用範囲が広がっていくであろう．これまでマクロポーラス，ナノポーラス材料の研究が別々に行われてきたが，両領域の中間のメソポーラス材料の研究を行うことによって新しい材料機能や応用が見出される可能性が強い．ポー
ラス材料のうちでポーラスセラミックスやポーラスポリマー
はその多くが既に実用化されている．そのうち，ポーラスポ
リマーはドラッグデリバリーシステムで実用化されている．
体内のがん細胞をピンポイントで死滅させるのに役立っている．それに比べてポーラス金属は放熱や衝撃吸収材への応用(2013).
( 4 ) N. Dukhan: Metal Foams: Fundamentals and Applications,
DEStech Publications, Inc., (2013).
( 5 ) 中嶋英雄ポーラス材料学，内田老鶴圃，(2016).
( 6 ) Y. Hangai, T. Utsunomiya and M. Hasegawa: J. Mater. Proc.
Tech., 210(2010), 288292.
( 7 ) T. Miyoshi, M. Itoh, S. Akiyama and A. Kitahara: Metal
Foams and Porous Metal Structures, ed. By J. Banhart, M. F.
Ashby and N. A. Flick, MIT Verlag, (1999), 125132.
( 8 ) 門 井 浩 太 ， N. Babcsan ， 中 江 秀 雄  日 本 金 属 学 会 誌 ， 72
(2008), 73
79.
( 9 ) N. Inoguchi, M. Kobashi and N. Kanetake: Mater. Trans., 50(2009), 26092614.
(10) 北薗幸一塑性と加工，52(2011), 217
221.
(11) B. A. Gama, T. A. Bogetti, B. K. Fink, C. J. Yu, T. D. Claar, H.
H. Eifert and J. W. Gillespie, Jr.: Comp. Struc., 52(2001), 381395.
(12) H. Nakajima: Prog. Mater. Sci., 52(2017), 10911173.
(13) H. Nakajima: Proc. Japan Acad. B, 86(2010), 884899.
(14) H. Chiba, T. Ogushi and H. Nakajima: Proc. ASME/JSME
2011, 8th Thermal Eng. Joint Conf. (AJTEC2011), (2011), 1
9.
( 15 ) 鈴木進補，市川淳一，林田達郎，菅沼光太郎素形材， 56(2015), 35
40.
(16) H. Utsunomiya, H. Koh, J. Miyamoto and T. Sakai: Adv. Eng.
Mater., 10(2008), 826829.
(17) M. Hakamada and M. Mabuchi: Crit. Rev. Solid State Mater.
Sci., 38(2013), 262285.
(18) 谷本久典金属，80(2010), 732
737.
(19) 藤田武志，陳明偉金属，80(2010), 738
742.
(20) L. V. Taveria, J. M. Macak, H. Tsuchiya, L. F. P. Dick and P.
Schmuki: J. Electrochem. Soc., 152(2005), B405.
(21) R. Nakamura, D. Tokozakura, H. Nakajima, J. G. Lee and H.
Mori: J. Appl. Phys., 101(2007), 074303.

がなされようとしている段階で未開拓分野が多い．今後の実★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

用材料へのさまざまな展開が大いに期待されている．

文献( 1 ) L. J. Gibson and M. F. Ashby: Cellular Solids, Pergamon Press,(1988).
( 2 ) L. J. Gibson, M. F. Ashby and B. A. Harley: Cellular Materials
in Nature and Medicine, Cambridgw University Press, (2010).
( 3 ) H. Nakajima: Porous Metals with Directional Pores, Springer,

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan

中嶋英雄

1977年 9 月 東北大学大学院工学研究科博士課程修了
1977年10月 米国レンスレア工科大学博士研究員
1980年 7 月 東北大学金属材料研究所・助手，その後助教授，岩手大学工学部教授を経て1996年10月 大阪大学産業科学研究所・教授
2012年 4 月 (公財)若狭湾エネルギー研究センター・所長(現在に至る)
専門分野ポーラス材料学，拡散◎ロータス型ポーラス金属の製法開発，物性研究，応用開発に従事．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

高温融体物性研究の推移と展望
佐

.

は じ

め

に

藤

讓

による研究費は減少を続け，予算の多くを科研費等の競争的資金，企業との共同研究を含む短期のプロジェクト研究に頼

高温融体は高温で液体状態にあるものを指し，金属や塩，る様になり，地道な基礎研究は難しくなった．科研費は酸化物であるスラグやガラス(珪酸塩が主成分であることが1970 年代から 1990 年代にかけて急増したが最近は頭打ちで多く，イオン性なので広義には塩と見なされる)等が高温である．加えて近年は若い研究人材の流動化と非正規雇用化が溶融したものである．これらは日常生活では殆ど目にするこ

進み，時間と手間と費用の掛かる高温融体物性の様な基礎研とはないが，大部分の金属は製造時において液体状態を経由

究はさらに敬遠される方向になってきた．

し，その際にはスラグが大きな役割を果たす．溶融した塩はこの様に従来からの融体物性の研究は下火になりつつあっ

アルミニウム製錬において大規模に用いられており，身の回たが，粘り強く継続する研究者は残り，さらに新しい芽吹き

りに溢れるガラス製品も殆どが溶融状態で製造される．

もある．本邦で半導体産業が隆盛だった 1980 年代後半，半この様に高温融体は工業プロセスにおいて大規模に取り扱導体結晶の育成に関して溶融シリコンの諸物性値を取得しよわれるために，化学的性質と共に溶融温度，密度，粘度，表うとする動きがあり，日本電気等の民間企業も独自に取り組

面張力，濡れ・接触角，比熱，熱伝導率，混合熱，音速，拡んだが，新技術事業団による木村融液動態プロジェクト(1)，散係数，放射率，導電率，蒸気圧等の物性値に関する情報がNEDOによる大阪大学の野城らを中心とした北海道上砂川に不可欠となる．工業プロセスの現場では，これらの諸物性値

おける(株)地下無重力実験センター( JAMIC )の落下塔施設

が必ずしも明らかでなくとも経験的知見に基づいて操業されを利用した微少重力実験を主とする浮遊法による物性値取得

ることも多いが，新たなプロセスの開発やシミュレーションのプロジェクト(2)等が行われた．これらは高温融体物性研究等において精緻な物性値が求められる様になり，これに応えの重要さを認識させ，現在の日本における融体物性研究の礎

る物性値の取得および推算が課題となっている．

の一つになった．また，後者による浮遊法を用いた本格的な物性値取得の研究はここに端緒を開かれたと考えられる．

.

高温融体物性の研究の推移.

高温融体の物性値測定と基本的事項

日本における高温融体物性の研究は，高度成長期の鉄鋼業や非鉄製錬業，アルミニウム製錬業やガラス製造業等の高温

高温融体と言っても，溶融金属と溶融塩やスラグでは化学プロセスを用いる産業の飛躍的発展に伴って 1960 年頃から的・物理的性質が大きく異なるためにそれぞれに最適な測定

大学や企業において盛んに行われる様になった．いわゆるオ法を選択する必要がある．測定法の原理や装置は成書(3)(5)イルショックを経て日本のアルミニウム製錬業はほぼ消滅しを参考にされたい．近年は電子制御の発達によって実現した

溶融塩関係の研究は下火となったが，それとは別に多くの企新しい測定法が開発されつつあるが普遍的な測定原理に則っ業が基礎研究所を設置して様々な先端的基礎研究に力を入れた従来からの伝統的な手法も，計測の自動化や省力化，精密た．しかし，バブル経済の終焉と共に企業の基礎研究所の閉化によって更なる進展が望まれる．

鎖が相次ぎ，融体物性の研究も下火となっていった．

測定に際し，珪酸塩を代表とする酸化物は空気中で化学的事情は大学も似通っている．成果主義が標榜され，短期間に安定なものが多いが，殆どの溶融金属や溶融塩は酸素や水で多くの成果が要求される様になった．運営費交付金(校費)分と反応し易いために雰囲気の制御には特に注意が必要であ東北大学工学研究科特任教授(〒9808579 仙台市青葉区荒巻字青葉 6602)
Outlook of the Studies on High Temperature Melt Properties; Yuzuru Sato(School of Engineering, Tohoku University, Sendai)
Keywords: high temperature, molten state, physical properties, thermal properties, density, viscosity, surface tension, levitation method
2016年12月 5 日受理[doi:10.2320/materia.56.170]



特

集

る．また何れも高温になるほど容器との化学反応や物理的によりモル体積は正に偏倚する傾向がある．この様な錯イオ(状態図的)共融反応が起こり易くなり，試料の化学的組成がンは，例えば希土類塩化物とアルカリ塩化物の混合塩では成変化したり最悪の場合は装置の破損に繋がったりする．そこ

分のアルカリ金属の原子番号の増加に伴って安定化する(13)．

で多くの場合，容器や装置の材質選定は，試料の物理化学的.

特性の熟慮に基づき，測定に当たって最重要な項目となる．

粘度

融体物性は温度依存性の情報も重要であり，さらに測定に際して融体内に対流が発生して測定の障害となることも多いた

粘度は流体の基本的物性値であるが他の物性値とは異なめに，加熱用の炉には温度の均一性が求められる．これも高り，物質による違いが数桁以上にも及ぶ大きな差が存在す

温になるほど難しくなるので装置の設計・製作に当たり特にる．溶融金属の粘度は図(14) に示す様に概ね 10 mPa ･ s 以

留意すべき点となる．

下であり工業プロセスにおいて流動性が問題になることは少ないが鋳造等においては非常に重要な情報となる．一方，珪

.

密

度

酸塩融体や一部の溶融塩( BeF2, ZnCl2，燐酸塩等)はいわゆ
る網目状構造を有し，高い粘度を示す．特に SiO2 を多く含密度は総ての物質に共通な最も基本的かつ重要な物性値でむ珪酸塩系は非常な高粘度となる．ガラスでは高粘度のものあり，工業的にも必須であるが精密な決定は必ずしも容易でが使われるが，スラグ用には高粘度は好まれず CaO の添加はない．測定法としてはアルキメデス法が様々な融体に適用

等，組成制御によって適当な値まで低下させる．珪酸塩系で可能で，二球法を用いれば確度も高く最も基本的な方法であは組成によって網目構造が大きく変化し，粘度はそれを反映

るが，密閉することが困難で雰囲気制御が難しい問題点があするため古くから構造の指標として重用されてきた．

る．主としてスラグや溶融塩に適用されている．筆者らは天

粘度の範囲はこの様に極めて広いので，測定法(15)も必然

秤も含めた完全密閉型で雰囲気制御可能な装置(6)を開発して的に異なる原理のものが使い分けられる．最も古典的な細管

高融点のアルカリ土類弗化物等の溶融塩に適用した．比較的法は簡便かつ高精度で信頼性が高く，低～中粘度の広い範囲

低融点の塩化物系溶融塩等に対しては密閉型のマノメータをカバーするが主に室温用である．高温融体への適用も試み

法(7)を開発して900°
C程度までの測定を行った．

られてきたが溶融塩以外では難しい．筆者らは密封型の石英雰囲気制御の必要な金属融体に関しては基板上の液滴の体

製細管粘度計(16)を開発し，900°
C程度までの温度で雰囲気に積および形状を炉外からの目視(撮像)によって求める静滴

敏感あるいは蒸気圧の高い溶融塩の系統的な測定を行った．

法(8)やその改良型である大滴法が多く用いられている．測定

高温融体に適用される粘度測定法は，溶融金属等の低粘度法には他にピクノメータ法(9)やフロート法(10) ，主に表面張側 で は 回 転 振 動 法(14)(17) ， ス ラ グ 等 の 高 粘 度 側 で は 回 転力測定に用いられる最大泡圧法も適用できる．最近は機器の法(18) が代表である．一般的に前者は気体の粘度にも対応す

開発によって，浮遊法が密度測定に適用される様になってき

る極低粘度から 20 mPa ･ s 程度まで，後者は 100 mPa ･ s 以

た(11)．浮遊法に関しては後述する．

上の粘度範囲に有効であり，中間域の測定はこれらの方法で密度は計測可能な量でありそれ自体実用的にも重要であるは難しい．回転振動法は単純形状の円筒型容器が使えるた

が，融体の構造や相互作用を検討する際には誘導量であるモ

め，その材質を適当に選択すれば適用できる融体の範囲は広ル体積が有効である．同族の純物質ではモル体積およびモル

く，殆どの溶融金属に最適であり低粘度の溶融塩にも適す

質量は一般に構成種の原子番号が大きくなるほど増加する

る．筆者らは各種溶融金属および合金系の粘度を 1600 °Cまが，それらの比である密度はアルカリハライドの様な単純な物質の間でさえ必ずしも単調に増加するとは限らない(12)．
殆どの物性値と同様に密度もまた，混合系においては組成依存性が問題となる．混合系におけるモル体積は成分間相互作用を表す指標となり，成分間に特別な相互作用がなければほぼ加成則を満足し組成依存性の第一近似となる．密度の組
成依存性はモル体積を逆算することにより得られる．只，密度自体に加成則を適用する様な不適切な論文も散見されるので注意が必要である．
一般に成分間に凝集力が働く系ではモル体積は負に偏倚
し，反発力が働く系では正に偏倚する傾向が見られる．合金系においては，前者は状態図的に安定な高融点化合物の存在する様な系，後者は二相分離傾向のある様な系が相当するので大まかに推定する際の指標として有効である．多価イオンを含む混合溶融塩系では殆どの場合に多価カチオンにアニオンが配位した錯イオンが形成されてモル体積が加成則を満足しないことが多い．この場合，実質電荷の減少(凝集力低下)

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan

図1

各種純金属の粘度．



での温度で測定し系統的な値を得ている(14)．近年は高温の張力の小さい成分が表面に濃縮するため混合によって表面張

溶融金属に関する粘度測定は少ないが，新しいものとして石力が低下する傾向を示す．混合系では種々の熱力学的モデル

川らの静電浮遊法による超高融点金属の測定(19)がある．

に基づいて組成依存性を求める試みがあり，田中ら(28)は共溶融金属の粘度を理論的に予測する試みも多数あるが筆者

通イオンを有する二成分系アルカリハライドにおいて計算値の知る限り多くの金属・合金系に一般的に適用できるものはが実測値を良好に再現することを示した．筆者らは毛管上昇殆どない．新規な合金系の粘度を知りたい場合，実測が最適

法を溶融塩に適用して LiCl や NaCl に AlCl3 を微量添加すではあるが大まかな傾向は状態図からも推定できる．粘度のれば表面張力が劇的に下がることを見出した(29) ．これは生組成依存性はモル体積と同様に成分間の相互作用に関係し，成する錯イオン AlCl－
4 が表面活性種として働くためである．

一般的には安定な化合物を形成する系では粘度は混合によっ

溶融金属とスラグ等，多相間の界面張力は製･精錬反応やて増加し，共晶系では低下する傾向がある．複雑多元系であ金属スラグの分離等に大きな影響を与えるために重要である Ni 基超合金について，別に測定した Ni 系二元合金の粘り，多くの研究が行われている．田中らは主に静滴法によっ度を用いて，粘度の対数に加成則を適用することにより Niて界面張力の評価(30)を行っている．特に表面張力測定に変基超合金の実測値とかなり良い一致が得られている(20)．

革をもたらしたものが後述の浮遊液滴法である．浮遊液滴は

回転法は内円筒を，試料融体を収容する同心の外るつぼ内

外力がなければ表面張力によって真球になるが，地上環境でに沈め，内円筒あるいは外るつぼを回転させる．内円筒と外は浮遊力等の外力のために絶えず変形振動・回転・並進の運

るつぼ間の融体には速度勾配が生じ，融体の粘度によって回動をしている．変形振動の周波数は表面張力によって決まる

転に対する抵抗が生じるのでそのトルクを内円筒で計測すため，その測定から表面張力を求めることができる．これはる．回転法は動力を用いて回転させるため 103 Pa ･ s 程度の従来の方法と異なり重力場を必要とせず，また表面張力の決

高粘度まで適用できる．

定に際して密度の値も必要としない点が特徴である．

外るつぼを回転させて，内円筒はトルクの計測にのみ用い表面張力においてはマランゴニ流(31)も注目される．これる外るつぼ回転法(21)(22)の方がより高精度かつ低粘度域まで

は表面張力の勾配に沿って液体表面に流れが生じる現象であの測定が可能であるが市販装置は殆どない．内筒回転法は回る．純物質では温度変化による表面張力の変化が原因で温度

転とトルク計測を行う装置が市販されており，高温用の外る

勾配の方向に流れが生ずるし，混合物では様々な原因によるつぼと内円筒を用意すれば高温にも容易に適用できるため広表面活性種の濃度変化によっても表面流れが生ずる．液体のく用いられているが，動力伝達とトルクの測定を内円筒のみ

自発的な流動は従来，密度変化による重力対流が主として想で担うために機械的なロスが生じ粘度の測定下限は高くな定されてきたが，微少重力実験(2)においてマランゴニ流による．市販装置が入手できるため，これを溶融金属の粘度測定

る対流の残存が確認された．これを防止するためにるつぼにに試みた例もあるが，本質的に誤った使用法である．尚，内蓋をして自由表面をなくす工夫が行われた(32)．マランゴニ

筒回転法では外るつぼを用いず半無限大の液体に回転円筒を

流は表面が存在する限り起こり，密度の変化と表面張力の変直接浸漬することも可能であり，ガラスの溶融池等の工業プ

化は別の原因によることも多いため，液体はマランゴニ流にロセス融体に直接適用することができる．

よりしばしば重力に逆らう動きを見せることがある．
マランゴニ流を積極的に用いた例として，アーク溶接の際

.

表 面

張

力

のメタルプール中の対流による溶け込み深さの変化がある．
酸素や硫黄等の表面活性元素を数十 ppm 程度含んだ鉄は無

表面張力は熱力学的に表面自由エネルギー変化と定義さ添加の鉄より表面張力自体は大幅に低下するが，通常とは逆れ，純物質では融体の凝集力を表す．表面張力は一般に温度に温度が上がると表面張力が上昇する様な温度依存性を示

に対して直線的に減少し，表面張力がゼロになる温度は臨界す．そこで酸素を含むシールドガスを使えば，温度の高いメ

温度に相当する．これは低沸点液体で観察される．表面張力

タルプールの中心部の表面張力が高くなるため，表面においは融体の凝縮力を反映する熱力学量であるため，例えば単純て中心部に向かう流れが発生し，この流れが中心部で沈み込な典型的溶融塩とされるアルカリハライドではイオン半径のむことで深い溶け込み深さが得られる(33)．この様に微量元減少と共に増加すると予想されるが，リチウム塩においては素による表面張力の制御によってプロセスの改良が図られる

逆に低下する(23)等，クーロン力によるイオン間相互作用が等，融体物性の直接的な応用も報告されてきている．

強すぎるとイオンの分極や錯イオンの生成等の緩和現象によって凝集力が低下することが見出されている．測定法として

.

熱

的

性

質

は，毛管上昇法(23) ，最大泡圧法(24) ，輪環引き揚げ法(25) ，
静滴法・大滴法(26) ，浮遊液滴法等がある．前三者はスラグや溶融塩，後二者は溶融金属に用いられることが多い．

高温融体においても比熱や熱容量，混合熱等は熱力学的性
質の基礎である．また熱伝導率，熱拡散率，輻射率等の熱移混合系では表面活性種の振る舞いが重要であり僅かの添加

動性質も極めて重要であり，工業的な意義も大きい．しかしにおいても表面張力の大きな変化を引き起こす．これは密度ながら特に輻射と対流の影響が大きい高温では測定は必ずしや粘度等のバルク性質との大きな違いである．溶融合金ではも容易ではない．熱容量の測定には断熱型，等温壁型，伝導成分間に分離傾向のある系，例えば BiGa 系(27)等では表面型等の高温用熱量計(5)が用いられ，渡辺らは1100°
Cにおける



特

集

銅合金の混合熱の測定を行い，CuLa 等の化合物を形成するを行い，画像から種々の物性値を求める方法が開発されてき系において大きな負の混合熱を見出した(34)．また，溶融塩

た．浮遊法は電磁的(41)あるいは静電的(43)な力を利用する方においても成分の価数が異なる系，例えば MClLaCl3(M＝法が代表である．液滴は重力に抗して浮遊させるためと，表3－
Li, Na, K, Rb, Cs)系において錯イオン(LaCl－
4 , LaCl6 )形成

面張力によって真球に近い形状を得るために小さく，高々数に伴う負の混合熱(35)が観察され，その大きさは錯イオンがmm 程度である．これらの方法は無容器であるために上限温より安定化するアルカリイオンの半径の増大に伴って大きく度は原理的に存在せず，他の方法では不可能な溶融タングスなることが観察された．

テンの測定(19)(43)を実施した例もある．

一方，高温融体の熱移動性質については，測定時間が短く

電磁的な浮遊では，高周波電流を流したコイルの中心部に対流等の影響を受け難い非定常法が多く用いられる．須佐ら

導電性の試料(金属)を置けば試料中に誘導電流が誘起されるは熱的性質を含めた物性値(36)(37)について解説している．熱ため，それらの相互作用によるローレンツ力が働いて浮遊力

伝導率の測定法としては細線加熱法(32)やレーザーフラッシが得られる．この方法では誘導電流によって試料の加熱も行ュ法が代表的であり固体にも融体にも適用されている．細線

われるが，通常は別途，加熱用コイルを用いる．一方，静電加熱法は通電によって細線を加熱し，細線の周囲の物質への浮遊法では，帯電させた試料を 10 kV 以上の電圧を掛けた

熱の散逸による細線の温度変化を熱電対との組み合わせによ

上下の電極間に設置し，下部電極との反発力および上部電極

り測定し，熱伝導率を直接決定するものである．但し，溶融との吸引力によって浮遊させる．電磁法とは異なり加熱は別

金属等の導電性の試料では電流の漏洩と細線の溶解を防止す

途，レーザー光源によって行う．浮遊液滴の維持には高度なるために表面に絶縁性のコーティング(32)を施す必要があり，制御が必要であり，コンピュータ支援の制御技術の発展が支

コーティングが熱伝導に及ぼす効果を検証する必要がある．

えている．静電浮遊法の装置概念図を図に(43)示す．

レーザーフラッシュ法は試料の表面をレーザー光によって前者は試料に導電性が要求され，対象が事実上金属だけでパルス加熱し，その後の裏面の温度変化を測定することによあるのに対し，後者は帯電させれば非金属試料の測定も可能って熱拡散率を測定する方法であって固体の測定には幅広くである．また，前者は雰囲気を制御しての実験が可能である

用いられ市販装置も多い．これを高温融体に用いるには容器のに対し後者はアーク放電を避けるため通常は高真空下で用と温度測定が問題になる．柴田ら(38)(40) は溶融金属を透明いる．しかし，セラミクス等の測定では試料の熱分解およびな耐火物板で上下より挟み込んで上部よりレーザー光で加熱

アーク放電を避けるため加圧ガス下での適用(44) も行われてし，底面の温度変化を InSb 赤外線検出器で測定して熱拡散いる．これらの方法ではこれまで困難あるいは不可能であっ率を決定した．耐火物板としては溶融 Ge, Si(38) には石英た高融点試料も測定可能となり，また固体壁と接触しないたを，溶融 Fe, Ni, Co(39) に対してはサファイアを用いた．まめ，凝固の際の核発生が抑えられ，非常に深い過冷が得られた溶融珪酸塩(40)に対しては平らな底面を持つ Pt 製の試料容ることも特徴である．

器に収容して底面からレーザー光で加熱し，同じ底面の温度変化を同様に測定することにより熱拡散率を決定した．

測定項目は液滴の撮像と放射温度計による温度測定である．撮像は IT 技術の進歩により毎秒数百コマにおよび，画その他の方法としては周期加熱カロリメトリーや強制レー像解析も自動化されて統計処理されたデータが容易に得られリー散乱法がある．前者は交流変調されたレーザー光によっる様になった．物性値としては体積から密度が，振動数からて加熱すれば，その温度応答の交流波形が熱伝導のために入表面張力が，振動の減衰から粘度が，冷却速度から熱容量が射光の波形に対して位相差が生じることを利用したものであ得られる．但し，現状は電磁浮遊での粘度決定は困難である．

る．福山ら(41) は後述の浮遊法で浮遊させた金属液滴に強静これらは重力下では浮遊に強い力が必要なため，浮遊力が磁場を重畳して対流を抑え，液滴の上部をレーザー光で加熱，下部の温度を非接触で測定することにより熱拡散率を測定した．同様の方法により比熱や半球全放射率も求められる．後者は，交流変調されたレーザー光をスプリットさせ，2 枚の透明な板で挟み込んだ薄い試料に対して，小角度で交差させた時に試料内に形成される周期的な温度分布より熱拡散率を求めるものである．試料が透明であること，光を吸収する染料が必要，等の条件が要求され，精密ではあるが高温での測定は容易ではない．長坂ら(42) は高温の溶融塩である
アルカリハライドを石英板で挟み込むことによってこの方法を適用し，それまで議論のあった溶融塩の熱伝導率の温度依存性が負の値を持つことを見出した．

. 浮 遊 液 滴 法
前述の様に近年，空中に試料を浮遊・溶融させて写真撮影

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan

図2

静電浮遊装置の模式図．



不要になる微少重力環境(位置決めの弱い力は必要)で測定す
れば擾乱が減少するため精度の高いデーが得られるはずであり，野城らは前述の落下塔での微少重力下( 10 秒間)の実験
により，微少重力下では振動周波数のノイズが大幅に減少し表面張力に対応する特性周波数がより明確に得られることを確認した(2) ．現在， JAXA の石川らは改良された静電浮遊炉(43)を既に宇宙ステーションに運び，微少重力下での長時間に及ぶ測定を準備している．一方，前述の様に福山らは地上での電磁浮遊炉において液滴に超電導磁石による強い静磁場の印加により液滴内部の対流を抑制し，レーザー周期加熱法により熱伝導率の測定(45)に成功している．
これらは高温融体の物性値測定に新しい地平を切り拓いたが温度測定も含め，精度や信頼性に関する更なる検証が必要と考えられる．

. ま

と

め

高温融体の物性値は多くの高温プロセスにおいて重要でありながら，近年の研究環境の変化等により，特に実験系において低落傾向が続いていた．しかし，プロセスのコンピュー
タシミュレーション等が盛んになるに従って物性値の需要も増加している．これに応えるためには成分間相互作用に基づくモデルの更なる改良等によって広い範囲の融体に対する確度の高い物性値の推算が重要である．実験による取得においても，従来から蓄積されてきた実験技術の継承・高度化が必要であり，省力化等も含めて磨きをかける必要がある．これは推算の妥当性検証のためにも不可欠である．近年は従来法の発展に加え浮遊液滴法等の新規な方法の開拓が進み，従来にない知見が得られつつあることは喜ばしいが，融体物性に対する更なる多面的な展開が望まれる．

文

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★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

佐藤讓

1976年 東北大学大学院工学研究科金属工学専攻博士課程単位満了退学
1976年 東北大学工学部助手
1988年 同上助教授
2006年 東北大学教授
2013年 東北大学名誉教授
専門分野高温融体物性，材料物理化学，電気化学◎溶融金属・溶融塩の各種物性に関する研究が主体．
溶融塩を媒体とする反応(電解も含む)による新規材
料・合金の製造法の開発にも注力．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

特集

水溶液腐食研究に関する課題と展望
武藤泉 菅 原

優 原

信 義

るが，高い解像度と組成分析ができる点が評価され，収差補

.

は じ

め

に

正型走査型透過電子顕微( Aberration corrected

Scanning

Transmission Electron Microscope, STEM)(10)(13)やアトム

金属材料の環境劣化の一つである水溶液腐食の研究は，安全で安心な社会を形成するために不可欠である．また，耐食

プローブ電界イオン顕微鏡(Atom Probe Field Ion Microscope, APFIM)(14)(15)による解析が着目されている．

材料は，社会・産業インフラを支える重要な構成要素となっ図およびは，SUS304 ステンレス鋼(Fe18Cr8Ni)のており，我々の豊かな社会生活を支えている基盤であ

大気中で生成した不働態皮膜の断面(格子像)とエネルギー分

る(1)(2)．本稿では，最近の水溶液腐食の研究手法と腐食現象

散 型 X 線 分 析 ( Energy dispersive X ray spectrometry,の理解の進展について，鋼の孔食とすき間腐食を中心に概説EDS)の結果である(10)．図 2 から，不働態皮膜は Fe が濃化する．そのうえで，今後の水溶液腐食の研究と耐食材料開発

した外層と， Cr が濃化した内層から構成されることが分かる．そのうえで図 1 の格子像に着目すると，外層の格子はを展望する．

乱れていることから， H2O 分子などとの反応により生成し.

腐食現象解析技術の進歩と研究課題

た腐食生成物のようなものではないかと推察される．一方，内層と下地金属との間に格子整合性があるようにも見える．

水溶液腐食の研究は，現在，マクロ的な現象解析からミク

大気中生成皮膜の場合，内層は腐食生成物というよりも，酸

ロ・ナノレベルでの反応機構解析へと，視点が急速に変化し化皮膜と捉えるべきものかも知れない．これに対し，水溶液つつある(3)(5) ．従来は，1 cm × 1 cm 程度の試験面に対し中で不働態皮膜を生成させた場合には，内層も完全にアモルて，溶解速度や腐食生成物の性状などを計測してきた．しかファス的な構造になるとの報告がある(12)．さらに，N や Ni

し，近年，解析対象のサイズが桁違いに小さくなってきていはステンレス鋼の不働態皮膜中には存在しないことも報告さる．以下に，具体例を示す．

れている(11)(13)．点欠陥の輸送や塩化物イオンの侵入など，

原子オーダーでの構造解析と組成分析

約 30 年ほど前に，電気化学走査型トンネル顕微鏡( Elec-

不働態皮膜の局部破壊に関する理論(16) には数種類のものが提唱されているが，図 1 のような原子の直接観察から再検証すべき時代に到達していると思われる．

trochemical Scanning Tunneling Microscope, ECSTM)(6)(7)AP FIM に関しても，普通鋼やステンレス鋼の粒界偏析が開発され，水溶液中での金属表面をナノレベルで in situ

起因の腐食現象の解析に活用されている(14)(15)．これら原子解析できるようになった．Cu, Ni, Ag, Co, Pd などの溶解挙レベルでの解析手法は，材料表面の代表的な部分を解析して動が原子・分子レベルで観察されており，溶解時のステップ

いることが前提であり，試験片作製には注意が必要である．

やテラスの役割が解明されている(8)(9) ．しかし， EC STM

しかし，不働態皮膜などの原子配列を想像で描くしかなかっにより原子オーダーで溶解挙動を観察には，原子レベルで平た時代に比べると隔世の感がある．

坦な表面を作り，そこを出発点とする必要がある．このため，腐食と呼べるような反応速度が大きな溶解現象を観察す
ることは事実上不可能である．そこで， ex situ 解析ではあ

局部電気化学現象の解析

実用材料表面には非金属介在物や結晶粒界など，不均一な東北大学大学院工学研究科教授 東北大学大学院工学研究科助教(〒980
8579 仙台市青葉区荒巻字青葉 6602)
Challenges and Prospects in Corrosion Science and Technology; Izumi Muto, Yu Sugawara and Nobuyoshi Hara(Department of Materials
Science, Graduate School of Engineering, Tohoku University, Sendai)
Keywords: corrosion, pitting, crevice corrosion, passive film, microelectrochemistry, chemical imaging, corrosion resistant steel
2016年 3 月30日受理[doi:10.2320/materia.56.175]

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan




図1

SUS304 ステンレス鋼表層部の高解像度 STEM 像(10)．

図3( a ) SUS304 ステンレス鋼の 0.1 M NaCl 水溶液中における MnS 系介在物を含む微小領域のアノード分極曲線(298 K)，(b) 分極前および (c) 分極後の MnS 周辺の光学顕微鏡写真(21)．

曲線と，分極前後の電極面の光学顕微鏡写真である( M mol･ m－3，以下同様)(4)(21)．分極曲線には， 0.33 V(vs. Ag/
図2

SUS304 ステンレス鋼表面の断面 STEM 像と EDS 組成
分析結果(10)．

AgCl, 3.33 M KCl，以下同様)よりも高い電位に緩やかな電流増加が観察される．ここが MnS のアノード溶解域である．この溶解域で電流の急上昇が二回生じている．電流の急上昇はピット(孔食)の発生によるものである．図中 A は要因が多数存在している．このため，これら個々の反応サイ

0.41 V で発生し，その後自発的に成長を停止した再不働態

トの電気化学特性を把握することが，腐食現象の理解には不化性ピットであり，図中 B は 0.51 V で発生し，その後大き可欠である．近年，直径 100 mm ほどの微小領域の電気化学く成長した成長性ピットである．図に， in situ リアルタ

計測を行い，腐食の起点と思われる部分の耐食性を解析する

イム観察の結果の一部を示す(4)(21)．MnS 系介在物の周囲に手法が一般化しつつある．この技術は，非金属介在物を起点見られる多数の球状のものは気泡である．これらは， MnSとする孔食発生機構の解析に特に有効である．Suter らは，の溶解に伴い生じるが組成は不明である．再不働態化性と成

内径 2 ～ 200 mm ほどのガラス細管に水溶液を満たし，これ

長性のピットは，いずれも MnS/鋼境界から発生している．

を試料表面に密着させ， MnS 系介在物が存在するステンレ

詳細に見ると，再不働態化性ピットでは，発生直後の 0.5 s

ス鋼の微小領域のアノード分極曲線を計測した(17)(19) ．こは半球状であるが，電流値が低下した 1 s 後には，多角形

れにより， MnS がステンレス鋼の不働態域でアノード溶解(方位性ピット)になる．成長性ピットも発生直後の 0.5 s はすることが，孔食発生のトリガーであることを見出した．

半球状(矢印)である．その後，発生点の外側に新たな凹みがChiba らは，光学顕微鏡観察とマイクロ電気化学計測を同時

現れ(5 s，矢印)，これが大きく成長し MnS をえぐるようにに行うことを発案し，100 mm×150 mm ほどの領域を残し試

大きな侵食になる．成長性ピットの場合， 0.5 s から 5 s の料表面を絶縁性樹脂で被覆し，水浸対物レンズ(倍率×間，表面的には侵食形態は変化しない．しかし，この間もア100)を用いて 30フレーム/ s で動画を撮影するシステムを開ノード電流が継続して計測されていることから，ステンレス

発 し て い る(20)(23) ． 図  は ， 微 量 S 添 加 型 SUS304 ( Fe 

鋼内部で溶解が継続していることが分かる．このため， 5 s

18Cr 8Ni )鋼の 0.1 M NaCl 水溶液中におけるアノード分極

以降，鋼表面が陥没するように凹み状の侵食が現れる．この



特

集

図4

MnS 系介在物を起点とする孔食発生過程の in situ リアルタイム観察．図中の数字は経過時間および電位と電流(21)．

図5ステンレス鋼のすき間腐食発生過程における pH と塩化物イオン濃度の蛍光イメージング(24)．

凹みがさらに大きく成長し，鋼板を貫通し液漏れなどを引き起こす腐食損傷となる．ピットが MnS/鋼境界から発生する
原因や，それが再不働態化性ピットになるのか，それとも成長性ピットになるのかの解析が行われ，現在では MnS 系介在物を起点とする孔食発生機構の全容がほぼ解明されている(20)(23)．
マイクロ電気化学システムを用いた in situ リアルタイム
観察の最大の利点は，電極面全体を観察できる点にある．このため，電流や電位といった電気化学信号が，電極面内のどの部分の溶解反応を反映したものであるかを，画像から比較的高い精度で推定できる．このため，金属組織と腐食反応と

図6

すき間腐食発生点の pH と塩化物イオン濃度の変化(24)．

の関係を定量的に解析することができる．


ミクロ液性変化の可視化に進行する．図 6 より，低 pH 化と塩化物イオンの濃縮は，同時に進行していることが分かる．そして，突然，局部的なミクロ・ナノレベルでの腐食発生に関連した液性変化を検

点状の溶解領域が出現し，これと共に急激な強酸性化と塩化出するために，化学イメージング( Chemical imaging )の技

物イオンの高濃度化が起こり，すき間内溶液は 4 M を超え術が利用されている．化学イメージングとは，化学種の空間

る濃 HCl に相当する組成に変化する．従来，このような急的な分布を計測する技術であり，化学マッピング(Chemical

激な変化は想定されていなかった．pH と塩化物イオン濃度

mapping )とも呼ばれる．ラマン分光法，可視・紫外分光は急激に変化することはなく，NaCl 水溶液から濃 HCl へ，法，赤外分光法，蛍光分光法などにより，化学種を特定し，ゆっくりと組成変化が進行するものと漠然と考えられていその濃度分布を映像化する手法である．

た．しかし，化学イメージングを適用することで，すき間腐

Nishimoto らは， pH と塩化物イオン濃度を同時に可視化

食の発生には，臨界 pH と臨界塩化物イオン濃度が存在する

できる蛍光物質を見出し，これを石英板に塗布したイメージ可能性が示されている(24)(25)．ステンレス鋼のすき間腐食のングプレートを開発している(24) ．図およびは，ステン

発生はピット発生によるものある．ピットは不働態溶解によ

レス鋼のすき間腐食発生時の腐食状況と pH および塩化物イ

り弱酸性化したすき間内で微量の塩化物イオンの濃縮によりオン濃度の経時変化を示したものである．蛍光イメージング発生する．そして，ピット発生により短時間に多量の金属イ

プレートをすき間形成材として，pH 3.0 に調整した 0.01 M

オンが局部的に放出されるため，大きな pH 低下と多量の塩

NaCl 水溶液中における Fe18Cr10Ni5.5Mn ステンレス鋼化物イオンの濃縮がもたらされる．その結果，脱不働態化のすき間腐食発生過程を解析したものである．腐食の発生にpH を下回る強酸性の領域がピット周辺部へと広がり，すき

先だち，すき間内では低 pH 化と塩化物イオンの濃縮が徐々間腐食の成長が開始するという考え方が提案されていま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japanる(24)(25)．すき間腐食に対する材料選定や寿命予測において水溶液でのアノード分極曲線である(22) ．先の図 1 とは異なは，脱不働態化 pH が最も重要なパラメータであるとされてり，3 M NaCl 水溶液中でも孔食は発生しない．文献値(32)ときた．しかし，その妥当性については，議論の余地が残されの比較によると，介在物が存在しない領域の耐孔食性は，ている．

SUS316 ステンレス鋼(Fe17Cr12Ni2.5Mo)を大きく上回

なお，金属から溶出したイオン種の分布を計測する手法とるものである．上述した高窒素マルテンサイト系ステンレス

し て ， 走 査 型 電 気 化 学 顕 微 鏡 ( Scanning electro chemical

鋼や， Sn 添加フェライト系ステンレス鋼における N や Sn

microscopy, SECM )も有用である．これは，溶出イオンにが，どのようなメカニズムで耐孔食性を向上させているのか

加え，金属表面の電気伝導性なども可視化できる技術であ

興味深い研究対象である．それら添加元素が，不働態皮膜をる．高速なマッピング技術の開発など，今後の技術革新が望強化しているのか，それとも介在物などを起点として発生す

まれる．

る局部腐食の反応に影響しているのか，今後の研究成果に期待したい．また，従来はステンレス鋼の耐食性を低下させる

.

耐食材料の進歩と研究課題と考えられていた C についても，低温浸炭により固溶状態
で C を添加すると耐孔食性が向上することが分かってきて腐食研究の視点が，マクロからミクロ・ナノレベルへ移行

いる(33)(34)．常識にとらわれずに，高耐食化の原理を見直すしたことに伴い，耐食材料の開発研究においても課題や疑問必要がある．今後は，局部腐食を引き起こす金属組織学的なが浮き彫りにされつつある．以下，代表的な耐食材料につい要因解明を進めつつ，高耐食化に有効な新たな添加元素を見て，最近の研究と今後の課題について述べる．

出すことが重要であると思われる．



高耐食めっき鋼板



超高耐食材料

溶融 Zn Al めっき鋼板は耐食性に優れるため建築分野を古くから，アモルファス合金と超高純度金属は，きわめて中心に広く利用されてきたが，近年，さらに耐食性の高い

高い耐食性を示すことが知られている(35)(36)．いずれも，夢Zn Al Mg 系めっき鋼板が開発され用途が拡大している．

の超高耐食材料である．用途はまだ限定的ではあるが，着実

Zn 6Al 3Mg(26) と Zn 11Al 3Mg(27) が代表的なめっき組成に実用化が進みつつある．アモルファス合金は，熱的に準安である．これらのめっき層は単相ではない．直径 5 mm ほど定なため，腐食環境中で不働態化に不要な金属の溶解が促進の 粒 状 の Al リ ッ チ な 初 晶 と ， そ の 間 を 埋 め る Zn / Al /

され，しかも不働態皮膜中に耐食金属イオン種が残存・濃縮

MgZn2 の三元共晶組織から構成されている．三元共晶組織することで高い耐食性を示すとされている(35)．超高純度金

は，各相のサイズが 1 mm 以下であり，非常に微細な構造を属は，緻密で安定な不働態皮膜が形成されるため高い耐食性有している．犠牲防食の観点からは，Al は 6 mass以上，を示すとされている(37) ．しかし，いずれも最新のミクロ・Mg は 3 mass程度が好適であると言われているが，Mg のナノレベル解析法を利用し，高耐食化の機構をさらに深く掘

添加量を変化させると，金属組織も変化する．この場合，腐り下げてみる価値がある．超微結晶合金(38) も含め，次世代

食・溶解特性と金属組織とは密接に関連しているのではないを担う超高耐食材料として，継続的な基盤研究の推進が重要かと推定される(28)(29) ． Mg の添加効果としては， Mg を含である．これらの材料には，我々が解き明かすべき耐食機能

む腐食生成物が鋼表面でのカソード反応を阻害する作用を発の本質が隠されていると思う．

揮していることが重要であると考えられているが，めっき層の溶解挙動を含め防食機構の全貌解明が望まれる．


高耐食ステンレス鋼

ステンレス鋼が発明されて約100年が経過したが，高耐食化に向けた技術開発は今も継続中である．ステンレス鋼の優れた耐局部腐食性は， Cr 成分が濃縮した不働態皮膜に起因している．したがって， Cr 添加量を増やすことが高耐食化の基本である．しかし， Cr はステンレス鋼の製造性を著しく低下させる．このため， Cr 量増加による高耐食化は，省
資源・環境負荷軽減という現代社会の要請に逆行するものである．そこで， Cr 以外の元素で耐食性を補う新しい高耐食
ステンレス鋼が開発され実用化されている．高窒素マルテン
サイト系ステンレス鋼(30)や，Sn 添加フェライト系ステンレ
ス鋼(31)が，その代表例である．
ところで，マイクロ電気化学計測によれば，たとえ普通のステンレス鋼であっても，介在物や偏析などが存在しない微小領域であれば，海水を上回る高濃度の NaCl 水溶液中でも，孔食が生じないことが示されている．図は，SUS304
ステンレス鋼の MnS 系介在物を含まない微小領域の NaCl



図7

SUS304 ステンレス鋼の MnS 系介在物を含まない微小領域の NaCl 水溶液でのアノード分極曲線(298 K)(22)．

特

集

.

水溶液腐食研究の展望

材料科学の発展に対し，電子顕微鏡と電子線マイクロアナ
ライザ(Electron Probe Micro Analyzer, EPMA)が果たしてきた役割は大きい．ミクロ組織と元素分布の情報を組み合わせ，組織の形成機構や材料特性を考察することは材料研究における基本である．しかし，腐食・防食学や水溶液化学においては状況が異なる．電子線は水溶液により散乱される．このため，低真空走査電子顕微鏡( Low vacuum

Scanning

Electron Microscope, LVSEM)や大気圧走査電子顕微鏡(Atmospheric Scanning Electron Microscope, ASEM)を用いても，水溶液中の金属表面を高解像度で鮮明な画像として観察することは困難である．さらに，水溶液中に溶け出した金属
イオンの濃度分布を EPMA のように手軽にマッピングすることも現状では不可能である．しかし，上述したように，ナノレベルでの腐食反応機構を金属組織と結びつけて解析する
ためには，光学顕微鏡を超える高い分解能で，水溶液中において鮮明な画像(動画)を撮影し，しかも in situ で組成分析を同時に実施する必要がある．さらに，腐食現象を電気化学的に解析するためには，電位と電流の分布を可視化することも必要である．近年，Tsuji らにより，共焦点三次元蛍光 X
線分析法(39)(40)による水溶液中イオン種の化学イメージングが試みられているが，今後の発展が期待される技術である．

.

お わ

り

に

学生や若い研究者にとって，腐食・防食学は，社会的ニー
ズは高いものの，学術的にはやや魅力に欠ける学問のようである．耐食性の研究は，工学的には重要であるが，最先端の学問ではないという印象らしい．しかし，逆の見方をすれ
ば，先人が踏み込むことができなかった未知の領域が残されており，新技術や新理論の出現を社会が待ち望んでいるということである．本稿が若者の挑戦心をかき立て，この分野に若い英知が集い，水溶液腐食の学理がさらに進展することを願っている．

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★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
武藤 泉
株 入社
1988年 新日本製鐵
株 入社
2003年 新日鐵住金ステンレス
2005年 東北大学大学院工学研究科助教授，准教授を経て2014年 1 月より現職，博士(工学)
専門分野材料電子化学，腐食・防食学◎鉄鋼・アルミニウム合金など金属材料の水溶液腐食と高耐食化に関する教育・研究に従事．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

武藤

泉

菅原

優

原

信義




第 3 分科(電子・情報材料)

社会・産業からの要求に応える
電子・情報材料を目指して
藤枝俊1

梅 津 理 恵2

誠2

大塚

大場洋次郎5村 石 信 二3

山 室 佐 益4

亮6

寺西

電子・情報技術は，我々の生活の至る所に活用され，必要々な金属系軟磁性材料の研究開発動向が取り上げられてい不可になっている．そのため，電子・情報技術およびそれをる．「スピントロニクス材料の発展と展望」では，益々活発

支える材料は常に社会・産業から様々な要求を受け続け，そ化しているスピントロニクス研究の変遷を材料開発の観点かの変遷に敏感に対応しながら発展し続けている．電子・情報

らまとめると共に，ポストスピントロニクスについても述べ分野において過去 10 年程度を顧みると，社会・産業からのられている．エネルギー消費量および使用頻度の増大に伴要求に顕著な変遷が幾つかあった．例として，スマートフォ

い，電子・情報技術は以前にもまして発電・畜電技術と密接

ンやタブレット端末などが急激に普及し，電子・情報技術をに関わるようになった．「熱電力変換の新展開」では新しい活用する機会が大幅に増大したことが挙げられる．ハイブリ

発想に基づいた環境発電の研究について述べられている．

ット自動車および電気自動車の普及も，電子・情報技術の活「量子ビームを用いた永久磁石材料の評価分析」では，電子・躍の場を広げた．現在では，それらに関する材料の研究開発

情報材料開発の必須ツールとなりつつある放射光および中性が盛んになった．また，安定した供給に支障をきたすほど，子を利用した最近の研究について述べられている．何れの記

特定資源の輸入価格が急騰することがあった．各種元素の埋事も，電子・情報材料の研究開発の顕著な進展を示すと共蔵量は有限であり，本国の資源は限られていることを切実にに，将来の発展を大いに期待させる内容になっている．著者

感じさせられた．電子・情報材料では特性向上の鍵として希の皆様に心からお礼を申し上げる．第 3 分科の研究開発が少元素を用いることが多々あるが，それを全く用いない代替

社会・産業からの要求に応える電子・情報材料の実現に貢献

材料の研究開発に注目が集まるようになった．さらに，日本

し，本学会が益々発展することを期待する．

各地で起こった大規模自然災害も社会・産業からの要求に大きな影響を及ぼした．例えば，東日本大震災の際には混乱のさなか電子・情報技術が威力を発揮したが，電力は供給不能に陥った．我々の生活が電気エネルギーに大きく依存していることを改めて痛感させられ，その有効利用に資する材料の研究開発が活発化する機会になった．

藤枝

俊

大塚

誠

村石信二

山室佐益

第 3 分科では上述の社会・産業からの要求の変遷と密接に関わる 5 つのテーマを取り上げ，第一線で御活躍の方々に御執筆頂いた．「永久磁石材料の最近の研究」では，供給リスクの高い希少元素の使用量を減らす，もしくは全く用いない高性能磁石が求められている現状を踏まえた研究開発の最前線が述べられている．「軟磁性材料の開発動向と展望」
では，電子・情報機器のエネルギー消費量の低減に向けた様

梅津理恵

大場洋次郎

寺西

亮

東北大学助教(〒9808577 仙台市青葉区片平 211)
東北大学准教授，3 東京工業大学准教授，4 愛媛大学准教授，5 京都大学原子炉実験所助教，6 九州大学准教授
Recent Developments in Electronic and Information Materials for Meeting the Social and Industry Demands; Shun Fujieda, Makoto
Ohtsuka, Shinji Muranishi, Saeki Yamamuro, Rie Umetsu, Yojiro Oba and Ryo Teranishi
Keywords: permanent magnet, soft magnetic material, spintronics, thermoelectric material, quantum beam
2017年 1 月16日受理[doi:10.2320/materia.56.180]
1
2



特

集

永久磁石材料の最近の研究

杉

.

は じ

め

本

諭

に

永久磁石は，エレクトロニクス，産業用機械，自動車などの分野で使用され，今日の私たちの生活には欠かすことのできないキーマテリアルになっている．日本金属学会は本年で創立 80 周年となるが，その歴史はまさに永久磁石の発展を見てきた歴史ともいえる．本稿では，ネオジム磁石(NdFe
B 系磁石)を中心に永久磁石研究の発展を振り返るとともに，最近の研究についても触れる．

.

永久磁石の発展の歴史

人類が永久磁石を手にしたのは紀元前であり，磁鉄鉱が最初といわれている．また，古代ギリシア，マグネシア地方で磁鉄鉱が産出されたことから，永久磁石の「マグネット」は，

図1

永久磁石の強さの変遷．

マグネシア地方に由来しているといわれている．しかし，人類が永久磁石を人工的につくりだしたのは， 20 世紀に入ってからであり，その端は，東北大の本多光太郎先生の KS 鋼

リウムコバルト(SmCo)系磁石を発明されている．俵博士の発明にある．

が歌集「サラダ記念日」の作者である俵万智氏のお父様であ図(1)に永久磁石材料の強さ，すなわち最大エネルギー積

ることをご存じの方も多いのではないでしょうか

その( ( BH )max )の 変 遷を 示 し た ．近 年 の ネ オ ジム 鉄 ボ ロ ン

SmCo 系磁石の特性を大きく上回る磁石が，1983年佐川眞(NdFeB)系磁石の強さは，KS 鋼の約60倍であり，約100

人博士によって発明された NdFeB 系磁石である．この発年間でその強さが急成長していることが伺える．この歴史の株
明後は希土類 3 元系化合物に注目が集まり，当時旭化成

中で，日本人研究者が大きな活躍をしている．東大の三島徳

株 の大橋健博の入山尚彦博士が SmFeN 系磁石，信越化学

七先生がアルニコ系磁石の基礎となる MK 鋼，東工大の加士が SmFe11Ti に代表される ThMn12 型磁石を開発してい藤與五郎先生と武井武先生がフェライト磁石の基礎となるる．上述したように永久磁石の歴史は，まさに新磁石の発明

OP 磁石，本多先生が再び増本量先生と新 KS 鋼，東北大のの歴史であったといえるが，この中で社会と技術に大きなイ

金子秀夫先生と本間基文先生が鉄クロムコバルト(FeCr

ンパクトを与えたものを挙げるとすると，現在の使用量から

株 の俵好夫博士が 2 相分離型サマCo)系磁石，当時松下電器

考えてフェライト磁石と NdFeB 系磁石の 2 つといえる．

東北大学大学院工学研究科知能デバイス材料学専攻教授(〒9808579 仙台市青葉区荒巻字青葉 6
602)
Recent Progress in the Research of Permanent Magnets; Satoshi Sugimoto(Department of Materials Science, Graduate School ofEngineering, Tohoku University, Sendai)
Keywords: neodymiumironboron, ferrite, rare earth, coercivity, grain boundary, diffusion, grain refinement
2016年 6 月10日受理[doi:10.2320/materia.56.181]

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan前には「死の谷」があると良くきく．しかし，佐川博士からは NdFeB 系磁石には，この「死の谷」はなかったと聞いている(10) ．発明からわずか数年でハードディスクドライブ(HDD)のボイスコイルモータ(VCM)に搭載され，主要な用途となった． 2000 年頃からは，省エネのためモータの高効率化が叫ばれ，エアコン等のコンプレッサに利用された．さらには，ハイブリッド自動車(HEV)や電気自動車(EV)の駆動モータならびに発電機にまで用途は広がっている．
上述したような背景には，本系磁石の優れた磁気特性だけ
でなく， HDD や HEV などの新たなアプリケーションの出
図2

フェライト磁石の磁気特性．

現，さらにはその採用を可能にさせたストリップキャスト法(11) ， 水 素 の 利 用(12) ， ジ ェ ッ ト ミ ル 法(13) ， 各 種 め っ き
法(14) など作製プロセスの発展があった．まさに材料特性，.

フェライト磁石

作製プロセス，アプリケーションが一体となって発展してきた材料と言える(1)．

フェライト磁石は，マグネタイトプランバイト型( M 型)

.

( MO ･ 6Fe2O3 ( M ＝ Ba, Sr ))化合物を用いた永久磁石であ希土類資源と NdFeB 系磁石

り，その磁性は M 型構造における O2－ を介した Fe3＋ 間の超交換相互作用に基づくフェリ磁性である．本系磁石は，原一方，環境問題やコストなどから， 1990 年代に希土類原料価格が安く化学的に安定であるため，現在生産量では最も料の生産地は米国から中国に移っていった． 2000 年ごろか多い永久磁石となっている．また，近年の磁気特性を 1980

ら中国は，希土類資源の輸出に対して輸出割り当て(EL)枠

年代後半のものと比較すると，図(2)に示すように，残留磁と輸出関税をかけた．この結果， 2010 年頃に価格が急騰し気分極(Br)で約30，保磁力(HcJ)で約80増加と，確実なた．特に HEV 用モータの作動温度における耐熱性と HcJ を

進歩がなされている材料ともいえる． 1990 年代にはサブミ得るために必要とされるジスプロシウム( Dy )が中国に偏在

クロンの微細粒子の作製や配向度の改善がなされた． 2000

し，中でもイオン吸着鉱といって放射性物質を含まない鉱石

年頃には Sr3＋ を La4＋ で置換し， 4 配位サイト( 4f1 )の下向が中国の戦略物質となったため，日本にとっては死活問題ときの磁気モーメントをもつ Fe3＋ を Zn2＋ で置換することになった．

よって飽和磁気分極(Js)の増加が図られた(3)．2005年頃から

この対策に貢献したのが，磁石メーカーの技術革新と文部は Zn2＋ を Co2＋ とすることによって HcJ の向上も可能とな

科学省の「元素戦略」ならびに経済産業省の「希少金属代替」

った(4)(5)．さらに最近では La の一部を Ca で置換して Br をと謡った国家プロジェクトである．特に両国家プロジェクト向上させた磁石も開発されている(6)．LaCo 系と CaLaCo 系

は，異なる省庁が連携して進めていることから画期的である

M 型フェライト磁石は，日本の磁石メーカーの秀でた技術とも言える．また，各国における希土類供給源の多角化も加をもって初めて量産化できるものであり，他国の追従を許さ速し，米国の Molycorp 社が Mt. Pass 鉱山にて生産再開，

ない．

豪州の Lynas 社が Mt. Weld 鉱山にて生産を開始した．さらに日本政府も米欧と連携し， 2012 年 3 月に世界貿易機関

ネオジム磁石(NdFe
B 系磁石)の発明(WTO)への提訴，2014年 8 月には中国の WTO 敗訴が決ま.

Nd Fe B 系磁石(7)発明の最初の学会発表が，日本金属学

る．結果的に，希土類金属の価格は元の金額に戻りつつあ会だったことをご存じの方がどのくらいいるであろうか

る(15) が，急激な価格の低下によって Molycorp 社が 2015 年

1983 年 10 月の秋期大会(秋田大)である(8) ．多くの聴衆が佐6 月に破産法を申請するなど操業の悪化が伝えられてい川博士の発表図面を写真に残そうとしてカメラのシャッターる(16) ．一方，中国国内でも生産・環境規制のため資源税がを切る大きな音を今も覚えているほど，インパクトのある講

引き上げられ，希土類精製分離会社も 6 社に統合して違法演だった．一方，その講演概要のタイトルは「正方晶 Nd 

採掘の引き締めが図られている．さらに，中国は国際標準化

Fe 系永久磁石材料」と，「B」という記述はない．これは，機構( ISO )での技術委員会( TC )の設置を提案した．規格

り， 2015 年 1 月に EL 枠， 5 月に輸出関税が撤廃されてい当時概要集が 2 週間前には講演大会参加者へ郵送されていが，中国主導で決まってしまうことに対して将来への影響をたためではないかと勝手に想像している．一昨年度，日本磁

懸念し，日本は米国，豪州と協調してこの TC の主要メンバ

気学会の岩崎コンファレンスで，本系磁石発明時に，当時のーとなっているが(その他の主要メンバーは中国，韓国，イ

磁石メーカーが B を認識していたかどうかについてパネルンド)，現状を考えると，未だ希土類資源リスクは低下してディスカッションがあり，興味深く聴かせていただいた(9)．

いない(16)．

さて，研究開発から実用化までが難しいことから，実用化



特

集

近傍部に重希土類元素が濃縮される．従来の焼結磁石は，

.

粒界相の制御Dy を添加した Nd Fe B 系合金を溶解，鋳造，粉砕，磁場

中 プ レ スし て 焼 結 する ， ま た は Dy Co な どの Dy 合 金 を5 章で示した希土類資源リスク対策への技術革新により，

Nd2Fe14B の化学量論組成合金と混ぜて粉砕し微粉末を作製

図(17)に示すように省 Dy で高磁気特性の NdFe B 系磁石

して焼結させる方法( 2 合金法(20) )などで得ていたが，焼結が開発されてきた．以下，これらの技術革新について紹介し温度が 1100°
C 近傍であるため Dy が Nd2Fe14B 相内まで拡散た い ． Nd Fe B 系 磁 石 の 優 れ た 磁 気 特 性 は 主 相 で あ る

して磁気分極が下がり，結果的に保磁力が増加してもNd2Fe14B 相の優れた磁気特性によるものだが，その組織に(BH)max が低下するという問題点を有していた．

は 主 相 以 外 に も 粒 界 に 存 在 す る Nd rich 相 が あ る ． こ のこれに対し，粒界拡散法の温度は800°
C前後であるため，

Ndrich 相は高温で液相となるため，焼結時に液相焼結が進

Dy が粒内深く拡散せず，粒界部に近い主相内に留まる．こんで充填化に寄与するだけでなく，保磁力発現に重要な役割のため高い(BH )max が維持され， Dy 使用量も減らせる．さを果たしている． NdFeB 系磁石の保磁力は逆磁区の発生

らに最近では，Dy の蒸気圧が高いことに基づき，蒸着にてによって左右される核発生型であると考えられているが，Dy を拡散させる方法も報告され(21)(22) ，同様に高い磁気特Ndrich 相は主相 Nd2Fe14B 相を取り囲むように出現するた性が得られている．

め，主相内の粒界近傍部から発生しやすい逆磁区の発生を抑株 は， 2013 年に低 B 量 Ga 添加の焼結磁
一方，昭和電工

制し，さらに主相 Nd2Fe14B 相の磁気的な孤立を図ってい石において，高保磁力が得られ， Dy 量も低減できることをる．すなわち，保磁力を増加させるには，この組織形態を利発表した(23)．最近，Sasaki ら(24)により組織観察がなされ，用して逆磁区の発生確率を減らすことが重要である．それに図(25) の走査電子顕微鏡( SEM )像(反射電子像)において白 Nd2Fe14B 相を小さくし単磁区粒子に近づけること，は，

色(または灰色)の相で示すような幅 20 nm 程度で Nd 濃度

 Nd2Fe14B 相の粒界近傍部の逆磁区の発生を抑えるおよび

が90 at以上の Ndrich 相によって Nd2Fe14B 相が被覆されため，その部分における磁気異方性をあげ，さらに粒界相と孤立しているため，高保磁力が得られると報告された．まの界面の状態を良好にして，主相の磁気的な孤立を図ること

た，保磁力を劣化させる Nd2Fe17 相が，保磁力への影響のである．

少ない Nd(Fe, Ga)13B 相(6131 相)に変化することも関係 にあげた粒界相の制御の最も顕著な成果に粒後者である

界拡散法がある． Nakamura ら(18) は， Dy を Nd Fe B 系焼
結磁石における Nd2Fe14B 相の粒界近傍部にのみ偏析させ，残留磁束密度 Br の低下を招かないで保磁力を増加させる，
図(19)で示すような粒界拡散法 ``Grain Boundary Diffusion
Process ( GBDP ) '' を 開発した ． GBDP では重 希土類 元素(HRE)の Tb または Dy の酸化物，またはフッ化物をスラリー状にして焼結磁石に塗布し， 800 °C ～ 900 °C の温度域で熱処理する．この温度域では，焼結磁石の粒界に存在する
Ndrich 相が液相となり，重希土類元素と置換するため粒界

図3

NdFeB系焼結磁石の磁気特性(図中の数字は，
cgs 単位(MGOe)で最大エネルギー積(BH)max を
示す)．

図4

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan

粒界拡散法の模式図．




図6
図5

Ga 添加 NdFeB 系焼結磁石の組織．
各色の相は以下の相を示す．黒 Nd2Fe14B
相，灰 Nd rich 相( 6 13 1 相)，白 Nd rich 相(その他)．

単磁区粒径サイズの NdFeB 系粉末の作製法．

して Nd Cu ， Pr Cu 共晶合金を用いて先に挙げた粒界拡散法を行い，さらに処理にともなう膨張を治具にて拘束して磁気分極の減少を最小限に留め，室温で HcJ ＝ 1.54 MAm－1 ，していると推察されている．これらは現在，本会の春秋講演(BH)max＝358 kJm－3，200°
Cでも(BH)max＝190 kJ大会などを中心に活発に議論されている内容である．

高い磁気特性を報告している．

.

結晶粒微細化.

m－3 と解析・評価技術 の結晶粒微細化には，ス
前節にあげた高保磁力化の指針

上記のような成果に大きく貢献したものに，最近の評価技

トリップキャスティングの各相間隔を減少させること，粉末術の進歩がある．佐々木ら(25)は，SEM， TEM，FIB，3 次

作製のジェットミルの高速化により微粉末を得ること，焼結元アトムプローブなどの技術を駆使し，粒界相である Nd 

段階での粒成長を抑えるため低温焼結することなどがある．

rich 相の相を特定できるまでに至るマルチスケール組織解析

宇根と佐川(26) は，著者らとともに He ガスを用いた高速ジ技術を確立している．また，高保磁力化には Nd rich 相内ェットミルの利用によって，従来よりも細かな 1 mm 程度のの Nd 組成が高いことが重要であること，熱間加工磁石の c

粉末の製造に成功した．また，この粉末を用いて作製した面と ab 面で Nd 組成が異なること，なども報告している．

Dy 無添加焼結磁石において，室温で 1.6 MAm－1 以上の HcJ

元素戦略プロジェクトの一環で， SPring 8 などの大型施設と 400 kJm－3 の( BH )max を両立している．最近では，図を用いて NdFeB 系磁石の保磁力機構の解析がなされてきで示すような水素の吸収放出反応を利用した結晶粒微細化現た．中村ら(31)は，放射光高温 insitu X 線回折によって Nd

象 で あ る HDDR ( Hydrogenation Disproportionation FeB 焼結磁石における Nd 酸化物の変化や Nd rich 相の磁DesorptionRecombination)現象と水素の吸収に伴う体積膨性を調べている．また，NdFeB 系焼結磁石の破断面を X

張により粒界破壊または粒内破壊が生じる HD ( Hydrogen

線ナノビーム走査型 XMCD 顕微鏡によって解析し，磁区観Decrepitation)現象をジェットミル法と併用し(27)，さらに粒察に成功している．その結果，残留磁気分極状態でも多磁区界拡散法も駆使して，単磁区粒子サイズの高保磁力粉末を報粒子が存在することや，保磁力付近で複数粒子が集団的に逆告している(28)．

磁区を形成する様子をきれいに観察することに成功してい一方，結晶粒が単磁区粒子サイズに近く異方性磁石となる

る．この他に「京」などの大型コンピュータを利用した磁化

ものに熱間加工磁石があり，電動式パワーステアリング

反転や保磁力機構の解析も始まり， 10 年前では，磁石研究(EPS)などで需要が高まっている．また，最近，大同特殊鋼者の中では感覚的に扱われていた事項でも定量的に明らかに

株 と本田技研工業
株 が，高耐熱性と高磁力を兼ね備えた

されつつある．

HRE 完全フリー熱間加工磁石を世界で初めて実用化し，2016年秋に発売された新型 HEV に採用され話題となってい.

新規磁石の探索研究

る(29)．熱間加工磁石は，液体急冷法で作製された急冷薄帯
粉末を熱間押し出し成形などによって作製されるため，そのNdFeB 系磁石を超えるような磁石は現時点では実現さ

組 織 は c 軸 方 向 に 50 nm 程 度 ， c 面 方 向 に 150 nm のれていない．また，今後，そのような磁石が発明される確率

Nd2Fe14B 結晶粒から構成されていて，その粒界には Nd は極めて少ないと言わざるを得ない．しかし，それを目指す

rich 相が存在する． Akiya ら(30) は，この熱間加工磁石に対研究は続けられている．



特

集

Suzuki ら(32) は ThMn12 型構造をもつ， Nd ( Fe, Ti )12Nx ま

たは Sm (Fe, Ti)12 化合物を中心に Ti 量を減らし，Nd または Sm の一部を Zr で， Fe の一部を Co で置換することによって磁気分極と異方性磁場の高い粉末が作製できることを報告した．また， Hirayama ら(33) も， W の下地層上に成膜した NdFe12Nx 膜が Nd2Fe14B 化合物よりも高い飽和磁化と異方性磁場をもつことを報告した．いずれにしても，報告は物性値であり，永久磁石とするには，粉末またはバルクで高い
磁気分極を維持しながら，高い保磁力を発現させなければ実用化はされない．
一 方 で Burkert ら(34) が ， 結 晶 構 造 を 歪 ま せ た FeCo がNd2Fe14B 化合物よりも高い磁気分極と高い結晶磁気異方性( Ku )を示す可能性を計算科学から示したことを受け，多くの 研 究 者(35)(38) が 研 究 を 行 っ て い る ． H. Oomiya ら(36) は
1.5 ～ 2.5 nm の Fe50Co50 薄膜において Ku ＝ 1.6 MJm－3 ，著者ら(37)も FeCoTiN スパッタ膜において，膜厚 7.7 nm でKu＝1.39 MJm－3，膜厚 62 nm でも Ku＝0.46 MJm－3 と報告した．他にも SiO2 ナノ粒子上に担持した数 nm の FeCo ナ
ノ粒子で高保磁力が発現する可能性も示されている(38) ．他の合金でも高保磁力材料の探索も進んでおり，著者ら(39)は，
Mn 系 合 金 に お い て 希 土 類 磁 石 並 み の 保 磁 力 が 発 現 す る
Mn Sn Co N 系合金や，高圧合成によって， bct 構造を有し HcJ＞300 kAm－1 の新規 MnLiN 系バルク合金などを開発している(40)．
いずれにしても先に述べたように NdFeB 系磁石を超える材料は未だ開発されていない．その壁は厚く高いが，今後も材料開発の面白さを実感し共感できる研究者がいることを
望む．

文

献

( 1 ) S. Sugimoto: J. Phys. D: Appl. Phys., 44(2011), 064001.
( 2 ) TDK カタログを元に作成．
( 3 ) 田口 仁工業材料，46(1998), 5357.
( 4 ) Y. Ogata, Y. Kubota, T. Takami and M. Tokunaga: IEEE
Trans. Magn., 35(1999), 33343336.
( 5 ) 緒方安伸，高見 崇，久保田 裕粉体および粉末冶金， 50(2003), 636641.
( 6 ) 小林義徳，細川誠一，尾田悦志，豊田幸夫粉体および粉末
冶金，55(2008), 541546.
( 7 ) M. Sagawa, S. Fujimura, N. Togawa, H. Yamamoto and Y.
Matsuura: J. Appl. Phys., 55(1984), 20832087.
( 8 ) 佐川眞人，藤村節夫，戸川雅夫，山本日登志，松浦 裕日本金属学会秋期大会一般講演概要，講演番号681，(1983).
( 9 ) 日本磁気学会第 2 回岩崎コンファレンス， H25.5.13 ～ 14 ，
日立金属・高輪和彊館(東京 品川)．
(10) 佐川眞人私信．
(11) Y. Hirose, H. Hasegawa and S. Sasaki: Proc. of 15th Workshop
on RareEarth Magnets & Their Applications, Dresden,(1998), 7786.
(12) I. R. Harris and P. J. McGuiness: Proc. 11th Int'l Workshop on
Rare Earth Magnets and their Applications, Pittsuburgh, USA,
(1990), 2948.
(13) 俵 好夫，大橋 健希土類永久磁石，森北出版，(1999).

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan(14) T. Minowa, M. Yoshikawa and M. Honshima: IEEE Trans.
Magn., 25(1989), 37763778.
(15) 小口朋恵JOGMEC 平成27年度(第 5 回)金属資源セミナー資料．
(16) 桑原一夫レアアース・ダイジェスト，第20号．
(17) 日立金属，信越化学，TDK のカタログを元に作成．
(18) H. Nakamura, K. Hirota, M. Shimao and T. Minowa: IEEE
Trans. Magn., 41(2005), 38443846.
(19) 中村 元私信．
(20) E. Otsuki, T. Otsuka and T. Imai: Proc. 11th Int'l Workshop on
RE Magnet & Their Applications, vol. 1 (1990), 328340.
(21) 日立金属技報，29(2013).
(22) H. SepehriAmin, T. Ohkubo and K. Hono: J. Appl. Phys., 107(2010), 09A745.
( 23 ) 昭和電工ホームページ http: // www.sdk.co.jp / news / 2013 /
13816.html(24) T. Sasaki, T. Ohkubo, Y. Takada, T. Sato, A. Kato, Y. Kaneko
and K. Hono: Scr. Mater., 113(2016), 218221.
( 25) 佐々木泰祐，大久保忠勝，宝野和博日本金属学会 2016年春期講演大会概要集 S1.1, (2016).
(26) 宇根康裕，佐川眞人日本金属学会誌，76(2012), 1216.
(27) M. Nakamura, M. Matsuura, N. Tezuka, S. Sugimoto, Y. Une,
H. Kubo and M. Sagawa: Appl. Phys. Lett., 103(2013),
022404.
(28) S. Sugimoto, M. Nakamura, M. Matsuura, Y. Une, H. Kubo
and M. Sagawa: IEEE Trans. Magn., 51(2015), 2101004.
( 29 ) 大同 特殊鋼 ホーム ペー ジ http: // www.daido.co.jp / about /release/2016/0712_freemag_hevmotor.html(30) T. Akiya, J. Liu, H. SepehriAmin, T. Ohkubo, K. Hioki, A.
Hattori and K. Hono: Scr. Mater., 81(2014), 4851.
( 31 ) 中村哲也，小谷佳範，鈴木基 ，広沢 哲日本金属学会
2016年春期講演大会概要集 S1.25, (2016).
(32) S. Suzuki, T. Kuno, K. Urushibata, K. Kobayashi, N. Sakuma,
K. Washio, M. Yano, A. Kato and A. Manabe: J. Magn. Magn.
Mater., 401(2016), 259268.
(33) Y. Hirayama, Y. K. Takahashi, S. Hirosawa and K. Hono: Scr.
Mater., 95(2015), 7072.
(34) T. Burkert, L. Nordstr äom, O. Eriksson and O. Heinonen: Phys.
Rev. Lett., 93(2004), 027203.
(35) L. Reichel, L. Schultz and S. Faller: J. Appl. Phys., 117(2015),
17C712.
(36) H. Oomiya, B. Wang, S. Yoshida, T. Kataguchi, K. Takahashi,
S. Kanatani, L. Zhang, L. Liu, T. Hasegawa, K. Hayasaka, S.
Saito, N. Inami, T. Ueno, K. Ono and S. Ishio: J. Phys. D:
Appl. Phys., 48(2015), 475003.
(37) M. Matsuura, N. Tezuka and S. Sugimoto: J. Appl. Phys., 117(2015), 17A738.
(38) D. Horiyama, M. Matsuura, T. Yamamoto, N. Tezuka and S.
Sugimoto: Mater. Trans., 57(2016), 207211.
(39) K. Shinaji, T. Mase, K. Isogai, M. Matsuura, N. Tezuka and S.
Sugimoto: Mater. Trans., 54(2013), 20072010.
(40) I. Matsushita, A. Kamegawa and S. Sugimoto: Mater. Trans.,
57(2016), 18321836.
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

杉本諭

1984年 3 月 東北大学大学院工学研究科金属材料工学
専攻博士課程前期 2 年の課程修了
1984年 4 月 東北大学工学部金属材料工学科 助手
1992年 3 月 東北大学工学部材料物性学科 助教授
2004年 4 月 東北大学大学院工学研究科知能デバイス
材料学専攻 助教授
2006年 4 月 東北大学大学院工学研究科知能デバイス
材料学専攻 教授
2014年 1 月 東北大学レアメタル・グリーンイノベー
ション研究開発センター長(兼務)，現在に至る．
専門分野磁石材料，磁性材料★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

軟磁性材料の開発動向と展望
吉

沢

克

仁

より， 1960 年代に結晶構造を持たない強磁性アモルファス

.

は じ

め

に

合金(1) ， 1980 年代にはナノ結晶軟磁性合金(2) やナノグラニ
ュラー軟磁性薄膜(3)などのナノ構造を制御した新しいタイプ

軟磁性材料(ソフト磁性材料)は，モータ，トランスや電源の軟磁性材料が開発され，ナノ構造制御による軟磁性材料のなど多くの電気機器の磁心(鉄心)材料として使用されてお研究開発が盛んに行われるようになった．このように， 20

り，私たちの生活に欠かすことができない存在である．軟磁

世紀は次々に新しい軟磁性材料の発明や改良が行われ，軟磁性材料には，電気機器を小型化するため飽和磁束密度(Bs)が性材料の磁気特性は飛躍的に向上した． 21 世紀に入ると，高いこと，電気機器の損失低減のために透磁率(m)が高く保

地球環境保全・省エネルギーや小型・軽量化などがより重視

磁力( Hc )が低く磁化曲線のヒステリシスが小さいことなどされ，高 Bs 化・低損失化を目的とした軟磁性材料の研究開が要求される．また，軟磁性材料は，トランス，リアクトル

発が活発になっている．

やチョークコイルの磁心材料として交流磁場励磁状態で使用される場合が多く，鉄損(P)を低く抑えるためにヒステリシ

本稿では，主な金属系軟磁性材料の開発動向と今後の展望について概観する．

ス損失(Ph)と渦電流損失(Pe)の低い材料が要求される．このため，軟磁性材料には，一般に電気抵抗率( r )が高いこと

.

軟磁性材料の動向

や，圧延などにより薄板化できることなども要求される．図に 2000 年までの主な軟磁性材料の開発の歴史を示す．

近年，地球温暖化などの環境問題が議論されるようにな

1900 年のけい素鋼開発以降，パーマロイなどの高透磁率軟り，エネルギー消費機器等の効率を可能な限り高めることが磁性材料が開発され，超急冷法などの新しいプロセス開発に求められるようになっている．この様な背景から，日本では機器の省エネ基準を策定する際にトップランナー方式を採用したトップランナー制度が制定されている(4)．トップランナ
ー方式とは対象となる機器ごとに基準値を設定し，達成年度を定めて機器そのもののエネルギー消費効率を高めていくよ
うに普及促進する政策で，配電用トランス，エアコンディシ
ョナー，スイッチング機器や三相誘導電動機など 30 を越える機器に導入されている．これらの機器に使用される軟磁性材料に対しても，当然のことながら低損失であることが要求されている．また，最近の自動車などの電動化の進展により，従来軟磁性材料があまり使用されてこなかった分野においても，軟磁性材料が使用される機会が増加し，これらの応用分野に適合した軟磁性材料の開発が求められている．ま図1

軟磁性材料開発の歴史．

た，軟磁性材料には，損失の低減に加えて，機器の小型化

国立研究開発法人物質・材料研究機構 磁性・スピントロニクス材料研究拠点 NIMS 特別研究員(〒 305 0047 つくば市千現 1 2 1 )Development Trend and Outlook for Soft Magnetic Materials; Yoshihito Yoshizawa(Research Center for Magnetic and Spintronic
Materials, National Institute for Materials Science, Tsukuba)
Keywords: soft magnetic material, amorphous soft magnetic material, nanocrystalline soft magnetic material, nanogranular soft magnetic film,
electrical steel sheet, powder core, high magnetic induction, low loss, high permeability, low coercivety
2016年 5 月30日受理[doi:10.2320/materia.56.186]



特

集

(省スペース化)・軽量化も重視されるため，軟磁性材料には ， 低 損 失 ・ 低 H c で あ る こ と と ， 高 Bs で 動 作 磁 束 密 度( Bm )を高く設計できることなどが要求されている．しかさせた材料などが開発されている(7)．
アモルファス軟磁性材料

し，図に示すように，一般に Bs が高い軟磁性材料ほど Hc

エネルギー消費機器等の効率を可能な限り高めることが求が大きくなる傾向があり，軟磁性材料において高 Bs と低 Hc

められるようになり，日本ではトップランナー方式が配電用を両立させることは難しい課題である．

トランスに採用されたこと，海外においても高効率トランス

また，近年インバータやスイッチング電源などの機器の高等に厳しい規格が作られてきていることなどから，鉄損が低周波化や高容量化(高エネルギー密度化)が進み，トランスやいアモルファス軟磁性合金薄帯材料に注目が集まり， Fe 

チョークコイルなどに使用されている軟磁性材料に対して，

Si B 系アモルファス軟磁性材料の配電用トランスへの適用

高周波領域の損失低減に加え，部品の小型化のために材料のが進んでいる． Fe Si B 系アモルファス軟磁性材料の素材

Bs をより高くすることが求められている．

の熱処理後の鉄損は， 50 Hz, 1.3 T で約 0.1 W kg－1 であり以上のように，軟磁性材料に対しては種々の特性向上が求磁区細分化高級方向性電磁鋼板の約 1 / 4 と低損失である．

められているが，すべてを満足できる軟磁性材料は存在せしかし， Fe 基アモルファス合金の Bs は方向性電磁鋼板のず，使用目的に応じて，軟磁性材料が使い分けられているのBs に比べて低いため，鉄心サイズが大きくなるという欠点が現状である．以下に主な金属系軟磁性材料の開発動向につがある．最近，現在最も製造されている Fe Si B 系アモル

いて概説する．


電磁鋼板(けい素鋼板)

軟磁性材料は，モータや配電用トランスの鉄心への使用量が非常に多く，電磁鋼板(けい素鋼板)が主に使用されていファス材料の Bs＝1.56 T を 1.63～1.64 T に向上させたアモ
ルファス合金材料が開発された．50 Hz, 1.4 T における鉄損
値約 0.1 W kg－1 が得られている(8)(9) ．更に，アモルファス
材料の Bs を高めることにより，アモルファストランスの鉄
心サイズや騒音などの問題も改善されている．

る．モータには主に無方向性電磁鋼板が，配電用トランスのまた，最近では Fe 基アモルファス材料の低鉄損・高透磁

鉄心には，方向性電磁鋼板が使用されており，材料の高性能率特性に着目し，アモルファス材料をモータ鉄心に応用する化に関する研究開発は主に企業において行われている．近年検討が行われている． Fe Si B 系アモルファス材料の P はは，ハイブリッド電気自動車(HEV)や電気自動車(EV)など

50 Hz, 1 T で 約 0.05 W kg－1, 400 Hz, 1 T で 約 1.5 W kg－1が販売されるようになり，自動車に使われるモータの高出力であり， 50 Hz では無方向性電磁鋼板の鉄損の約 1/ 10, 400

化などが重要となっている．モータ高出力のために回転数をHz では 1 / 5 以下である． Fe 基アモルファス軟磁性材料の増加させた場合には，高周波励磁下で低鉄損であることが要

低鉄損特性を活かしモータ鉄心に Fe 基アモルファス材料を求される．低鉄損化のため，高 Si 材の板厚薄手化により渦使用することにより高効率のモータが実現できることが明ら

電流損失を低減し，鉄損を低減させた電磁鋼板が開発されてかにされている(10)．

いる(5)(6)．

単ロール法などで製造される Fe Si B 系アモルファス材

配電用トランスに使用される方向性電磁鋼板では，結晶粒料よりもアモルファス形成能が高い Fe 基軟磁性材料としての配向度を高め新しい磁区細分化技術により鉄損を更に低減

1995年に Fe Al Ga P C B 系の Fe 基金属ガラスが開発され(11) ，その後多くの Fe 基の金属ガラス系の合金が開発されている(12)(13) ．しかし， Fe 基金属ガラスは脆化しやすく
Bs も FeSiB 系アモルファス合金薄帯材料より低いため，薄帯やバルク軟磁性材料としては現在実用化されていない．
しかし，粉末材料の製造においては，アモルファス形成能が高いというメリットを活かすことができ，アモルファス単相の低 Hc の粉末が得られやすいため，高周波用圧粉磁心(14)などに実用化されている．


ナノ結晶軟磁性材料

優れた軟磁性を実現するためには，結晶磁気異方性定数( K )を低減することが重要であるが，多結晶材料の K は材料の組成でほぼ決定されるため，結晶サイズが大きい通常のFe 基多結晶材料では大幅な軟磁性向上(Hc の減少)を実現す

ることは困難である．しかし，図に示すように結晶粒をナ
ノスケールサイズまで微細化することにより，実効的な磁気
異方性を減少させ，Hc を減少させることができる． FeSi
図2

軟磁性材料の飽和磁束密度と保磁力の関係(概略図)．

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia JapanB Nb Cu 系 ナ ノ 結 晶 軟 磁 性 材 料 の Bs は 1.2 ～ 1.35 T

で(2)(15)，配電トランスなどに使用されている FeSiB 系ア

結晶化熱処理を行うことにより，薄帯長手方向が磁化困難軸

モルファス合金の Bs＝1.56～1.63 T に比べその値は低いが，方向となるよう磁気異方性を誘導させることが可能であり，

Co 基アモルファス合金や PC パーマロイよりは高 Bs であ

広範囲に透磁率を制御した材料が開発されている(24)(25)．こり，これらの高透磁率材料に匹敵する非常に優れた軟磁性をれらの低透磁率タイプのナノ結晶軟磁性材料は，ヒステリシ示すため，漏電ブレーカ，電流センサ，ノイズ対策部品，高スが小さく，フラットな BH カーブ形状で磁界(H )に対す周波トランスや加速器などの用途に実用化されている．そのる透磁率変化が小さい特徴がある．より高い周波数・重畳磁後，更に Bs が高いナノ結晶軟磁性材料の研究開発が行われ，場まで透磁率低下を抑えることができるため，高周波領域の) 系材料が(16)，(Nb, Zr B
1990年には Bs が 1.5～1.7 T の Fe

1998年には残留アモルファス相の Tc が高く高温特性が良好な(Fe, Co)ZrBCu 系ナノ結晶材料(17)などが発表されてい直流が重畳される用途への応用が進むものと考えられる．



圧粉磁心

る．2000年代後半には，Nb など磁化を低下させる元素や高スイッチング電源などの各種電子機器の高周波化と高エネ

価な Co を含まない更に高 Bs の Fe 基ナノ結晶軟磁性材料がルギー密度化が進み，高周波において損失が低くかつ Bs の開発され， 2007 年には Bs が 1.85 T の Fe B Si Cu 系材料

高い軟磁性材料が要求されている．図に各種軟磁性材料のが(18) ， 2009 年 に は B

Bs と使用周波数領域の関係の概略図を示す．高周波領域で

s が 1.7 ～ 1.85 T の P を 添 加 し た Fe 

BSiPCu 系のナノ結晶軟磁性材料が開発された(19)(20)．こは電気抵抗の高いフェライトが主に使われてきたが， Bs が

れらの材料は，初期微結晶タイプと急加熱タイプの 2 つの低いため高エネルギー密度化に対応することが困難になり，タイプの材料(19)(21)に分類できる．初期微結晶タイプのナノフェライトよりも高 Bs の金属軟磁性材料を使用せざるを得

結晶材料は，合金薄帯作製時にアモルファス相中に微細な結ない用途も増えている．しかし，鉄，電磁鋼板やパーマロイ

晶粒を分散させ，その後通常の熱処理を行い均一微細なナノなどの金属材料は電気抵抗率がフェライトなどに比べて低く結晶組織が実現されている．急加熱タイプのナノ結晶材料

くそのまま高周波領域で使用した場合には渦電流損失が大きは，アモルファス合金薄帯を作製後，急加熱熱処理を行うこ

くなってしまうため，金属系軟磁性粉末表面を絶縁層で被覆とにより均一微細なナノ結晶組織が実現されている．初期微した粉末を成型した圧粉磁心の開発が行われている．

結晶タイプの材料は，合金薄帯作製の際の適正冷却条件の範

圧粉磁心に使用される軟磁性粉末には，パーマロイ，セン

囲が狭いという問題がある．一方，急加熱タイプは，多量にダスト，けい素鋼などの結晶質材料粉末が使用されてきた

熱処理を行う場合に，急加熱できなくなること，急激な結晶が，近年リアクトル・モータや高周波パワーチョークなどの化による発熱により，材料内部が過度に温度上昇し，材料全用途において圧粉磁心の適用が検討されるようになり，より体で均一微細なナノ結晶組織を実現するのが難しいなどの課

高磁束密度の圧粉磁心が要求されるようになった．このた題があり，実用化へのハードルは高いが，実用化に向けた研め，けい素鋼や鉄粉末を用いた高い磁束密度を示す圧粉磁心究開発が続けられている(22)．

の開発が再び活発化している．また，アモルファス形成能がまた，電子部品用のナノ結晶軟磁性材料では，チョークコ

高い金属ガラス系のアモルファス合金粉末や従来のアトマイ

イルやセンサなどの用途に適する低損失(低 Hc)で磁気飽和

ズ 法 よ り も 冷 却 能 力 が 高 い SWAP 法 ( Spinning Water

しにくいフラットな磁化曲線を示す比較的低い透磁率を示す

Atomization Process )により作製された Fe 基アモルファス

材料が必要とされている． Co や Ni を Fe に置換した( Fe,

合金粉末が開発され，これらの軟磁性合金粉末を用いた高周

Co, Ni)SiBNbCu 系合金に対して磁界中熱処理を行い，波用途向け低損失圧粉磁心が開発されている(26)(28)．

磁気異方性を制御することにより，初比透磁率が 300 から

圧粉磁心は軟磁性金属粒子間に存在する非磁性絶縁層被覆

5000程度の材料が開発されている(23)．また，張力を印加さにより初比透磁率は数 10 ～ 200 程度の傾斜した B H 曲線をせながら FeSiBNbCu 系アモルファス合金薄帯に対して示し磁気飽和しにくいのが特徴である．しかし，一般に Hc

図4
図3



保磁力 Hc の結晶粒径 D 依存性．

各種軟磁性材料の Bs と使用周波数領域， f の関係(概略図)．

特集

がバルクの軟磁性材料よりも大きく Ph が増加する傾向があ者から生まれ，軟磁性材料の応用分野や市場が更に拡大する

り，圧粉磁心の応用範囲を広げるためには，圧粉磁心に適すことを期待したい．

る高 Bs 低 Hc 軟磁性粉末材料の開発が重要である．


ナノグラニュラー軟磁性膜

バルク材料の分類には入らないが，ナノ構造を制御した比較的新しい軟磁性材料としてナノグラニュラー軟磁性膜について概説する．(Fe, Co)M(O, N, F)組成の Fe, Co のナノ結晶粒が高電気抵抗率の M ( O, N, F )で囲まれたナノグラ
ニュラー構造の軟磁性薄膜が開発されている(29) ． M は Ti,
Ta, Mg, Al, Zr, Nb, Hf，および希土類元素であり，Fe や Co

よりも O, N, F との親和性が強い．このため，ナノグラニュ
ラー構造の膜が形成すると考えられている．このナノグラニ
ュラー膜は，フェライトに比べて高 Bs で，通常の金属系材料よりも高電気抵抗であるため，高周波領域において比較的高い透磁率が得られ，高周波用の薄膜部品への適用が検討されている．

. 今 後 の 展 望
高 Bs と低 Hc・高 m・低損失の両立は軟磁性材料の永遠の課題であるが，すべての用途に対して要求される特性を満足できる軟磁性材料は，現状存在しない．実用化されている軟磁性材料で，最も Bs の高い材料は FeCo 合金でありその値は 2.45 T である．薄膜材料などではこれを超える Bs の材料への挑戦はあったが，この Bs を越えるバルク材料の開発
は，ハードルが高く実現していない．高 Bs 材料開発については，長期的な新物質の探索が重要と考えられる．
また，高 Bs と低 Hc ・低鉄損を両立した Fe 系軟磁性材料の開発も重要なテーマであり，ナノ結晶軟磁性材料がこの候補として期待される．新プロセス開発により新しい微細構造からなる新軟磁性材料の開発にも期待したい．高周波用軟磁性材料では，高周波領域まで使用可能な高抵抗・高 Bs で高透磁率を示すナノグラニュラー構造の軟磁性バルク材料や軟磁性粉末・微粒子と他の材料とを複合化した新しい微細構造の軟磁性材料の実現を期待したい．
また，高エネルギー密度や小型化が進んだ場合，使用されている部品の温度が現状の設計よりも高くなってくるため，高温特性に優れた軟磁性材料の開発も重要な研究開発テーマになるものと考えられる．

.

お わ

り

に

近年の省エネ意識の高まりや自動車をはじめとする各種装

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492.
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
1981年 東北大学大学院工学研究科博士課程前期修了
1981年 日立金属株式会社入社
2016年 4 月 現職
専門分野磁性材料(主にアモルファス・ナノ結晶軟磁性材料)◎超急冷プロセスによる軟磁性材料の研究開発に従事．

置・機器の電動化の進展により，軟磁性材料の重要性は今後益々増すものと考えられる．軟磁性材料において重要な透磁率や保磁力などの特性は，材料の微細構造に非常に敏感なため，軟磁性材料の開発において微細構造の制御は非常に重要★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

である．微細構造の解明による微細構造制御や新規な微細構造を実現することにより，革新的な軟磁性材料が日本の研究

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan

吉沢克仁




スピントロニクス材料の発展と展望高.

スピントロニクス前史金属人工格子

.

梨

弘

毅

巨大磁気抵抗効果の発見

スピントロニクスの歴史を遡れば，金属人工格子の研究に

磁気光学効果と垂直磁化にやや遅れてもう一つ，人工格子

行き着くことができる．金属人工格子とは，異なる金属をナの優れた機能性が明らかにされた．それが 1988 年に報告さノスケールで人工的に積層した薄膜状物質である．金属人工れた Fe/Cr 人工格子における巨大磁気抵抗効果(GMR)であ格子の研究は 1980 年頃から始まったが，これは実際に金属る(4)．GMR はスピントロニクスの原点と考えられている．

薄膜の成長をナノスケールで制御できるようになったとい

しかし，GMR の発見の前に層間交換結合の研究があったこう，真空技術や成膜技術の発展によるところが大きい．金属とを忘れてはならない．P. Gr äunberg らは，金属人工格子に

人工格子(以下，人工格子と略)は従来にない新物質として期おいて非強磁性層を介した強磁性層間の交換結合に興味を持待されたが，当初は大きな注目を集めるような新物性や新機ち，ブリュアン散乱を用いたスピン波の研究から，ナノスケ能は見出されなかった． 1986 年には酸化物高温超伝導体がールの Cr 層を介して Fe 層の磁化が反強磁性的に結合する発見され，材料科学や物性物理を専門とする多くの研究者のことを見出し，1986年に発表した(5)．これを知った A. Fert

注目がそちらに集まり，人工格子の研究は廃れていくのではらは，隣接する強磁性層の磁化の相対的配置が電気伝導にどないかと危惧される時期もあった．

のような影響を及ぼすかに興味を持ち，電気抵抗は反強磁性

人工格子の研究で一筋の光が見えたのは，磁気光学効果の的な配置で大きく，強磁性的な配置になると著しく減少する増大(1)と界面磁気異方性による垂直磁化の発見(2)であろう．

こ とを 見出し た(4) ． これ が GMR で ある ． P. Gr äunberg ら

当時( 1980 年代)の磁気記録分野では，ハードディスクドラ

も，論文発表は A. Fert らにやや遅れたが(6)，同時期に同様

イブ( HDD )の将来がまだ見通せず，光磁気記録に多くの期の現象を発見し，国際会議で発表していた．

待が寄せられていた．記録密度の向上には短波長化が不可欠

Fe/Cr 人工格子で GMR が発見されると，多くの研究者にであり， Co/ Pd や Co /Pt などの人工格子は垂直磁化を示す

よってさまざまな人工格子で磁気抵抗効果の測定が行われ，上に，希土類遷移金属系のアモルファス薄膜に比べて短波隣接する強磁性層の磁化の相対的な配置によって電気抵抗が長側で大きな磁気光学効果を示すというメリットがあり，多変化することが確認された．また，特に大きな抵抗変化を示

くの研究が行われた．最終的には，粒界ノイズなどの問題にすのは Fe / Cr 系あるいは Co / Cu 系( CoFe / Cu を含む)であ

よって，人工格子は光磁気記録材料として実用化に至らなかることがわかり，理論的な裏付けも行われた．さらに，ったが，材料学史の一つとして記憶に留めておいて良い(3)．

GMR の出現に必ずしも反強磁性的な交換結合が必要ではな

また，界面磁気異方性による垂直磁化は，スピントロニクス

く，磁化の反平行配置と平行配置を制御できれば良いことがの代表的なデバイスである磁気ランダムアクセスメモリ

認識された．そして，低磁場で磁化配置を制御できる構造と(MRAM )の高性能化のためのキーテクノロジーとして現在してスピンバルブが提案され，GMR の応用研究が一気に加注目されており，再び多くの研究が行われていることは感慨

速し，発見から僅か 10 年を経た 1998 年には HDD の読取ヘ

深い．

ッ ド と し て 完 全 に 実 用 化 さ れ た ． P. Gr äunberg お よ び A.

東北大学金属材料研究所教授(〒9808577 仙台市青葉区片平 2
11)
Development and Prospect of Materials for Spintronics; Koki Takanashi(Institute for Materials Research, Tohoku University, Sendai)
Keywords: metallic superlattices, giant magnetoresistance, tunnel magnetoresistance, spin current, half metals, spinorbit interaction
2016年 7 月19日受理[doi:10.2320/materia.56.190]



特

集

Fert は， GMR 発見から約 20 年，実用化からは約 10 年後の2007年にノーベル物理学賞に輝いた(7)(8)．

.

スピントロニクスの誕生と発展

GMR の研究をここであらためて振り返ってみると，その主役は人工格子という新物質であり，材料であった．人工格

人工格子の研究が一段落つきかけていた 1990 年代の半ば

子の研究は，草創期( 1980 年頃)から日本で盛んに行われてには，室温における大きなトンネル磁気抵抗効果(TMR)がおり，日本はいわばパイオニア的存在であった．GMR が日報告された(10)(11) ． TMR は，電子がトンネルできる程度の本で発見されなかったことは残念なことであるが，日本は人薄い絶縁体層を強磁性金属で挟んだときに，強磁性層の磁化工格子に関する基礎的な知見や技術を十分に持っていた．その相対的な配置によってトンネル抵抗が変化する効果で，現

こで，GMR 発見以後，盛んに行われるようになったスピン

象として GMR と類似性がある． TMR 研究の歴史は長く，依存伝導の研究において，日本は主導的な役割を果たすこと

GMR 発見以前から研究されていた(12) のだが， 1990 年代まになった． 1990 年に藤森啓安教授(東北大学，当時)を代表

で室温で大きな値は報告されていなかった．室温における大として科学研究費重点領域研究「金属人工格子」が設定さ

きな TMR の発見はスピン依存伝導の研究をさらに加速され，創製から構造評価，物性まで全国規模で研究が推進されせ，その応用範囲は HDD のみならず MRAM へと拡大した．

た(9)．ここで物性は GMR を含む磁性が中心であったが，超一方，この間，半導体分野でも独自の大きな発展があり，伝導や力学特性， X 線光学なども含まれていたことを注意

強磁性半導体の作製やキャリア誘起磁性の研究が盛んに行わしておきたい． 1993 年には，京都で第 1 回金属人工格子国れるようになった． 1990 年代の末には，金属分野において

際シンポジウム(The 1st Symposium on Metallic Multilayers:

も半導体分野においても，このようなスピンと電気伝導に関MML1993 )が開催されたが，主催学会は日本金属学会であ係する分野をスピンエレクトロニクス，あるいはスピントロ

る．GMR を含む人工格子の研究では，日本金属学会は大きニクスと呼ぶようになった．その頃から研究の方向にも多少な役割を果たし，多くの研究者が集う場であった．その後ス変化が現れ始めた．それ以前は，スピン依存伝導の問題，すピントロニクスの時代に入ると，中心が金属から応用物理に

なわち磁化が電気伝導に与える影響が研究の中心であった．

移った感があるが，後に述べるようにブレイクスルーのキー

しかし， 21 世紀に入る頃から，逆に電気伝導が磁化に与えは材料であることに変わりはない．

る影響に興味が持たれるようになり，スピン注入磁化反転や自励発振，電流による磁壁駆動などの研究が勃興した．表に，GMR の発見から始まり，スピントロニクスが大きく発展した 2000 年代半ばまでの顕著な研究成果を，金属系と半

表1

スピントロニクス年表(1)．

GMR 発見の1988年から2007年まで20年間の重要な発見，研究，出来事を金属系と半導体系に分けてまとめた．
(文献(13)より採録)

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan導体系に分けて模式的にまとめた(13) ．これより，スピント
ロニクス研究の発展における日本の貢献の大きさを理解できと制御のための材料研究最前線」が掲載された．
表に， 2007 年以降現在までのスピントロニクス分野にるであろう．

おける注目すべき成果を私の独断と偏見で抽出し，年次毎に.

らないが，同時にスピントロニクスがスピン流研究の発展をまとめた．日本人研究者の貢献が大きいことは表 1 と変わスピン流研究の勃興とポストスピントロニクス

経て，新しい段階に入っていることに気付く．スピントロニ
表 1 からもう一つわかることは， TMR，スピン注入，スクスとは，本来スピンと電気伝導に関わる分野であり，言いピンホール効果など，金属系においても半導体系においても換えればスピン流と電流に関する分野であったが，今では熱同様の物理現象が研究対象となっていることである．このよや力学的運動によってもスピン流が発生することが実験的にうな経緯の中で，金属や半導体といった既存の材料分野の枠明らかにされ，エレクトロニクスに留まらず大きく分野を広を超えて，スピン流が注目されるようになった．スピン流とげている．熱に関わる分野をスピンカロリトロニクス，力学は電子のスピン角運動量の流れであるが，電流とは異なり，的運動に関わる分野をスピンメカニクスと呼ぶこともある．

実験的にも電流と分離して生成・検出することができる．電また，界面での結晶対称性の破れや， Pt や Ta などの重い

気的には絶縁体であっても，スピン波(マグノン)によってス

元素の使用によって，スピン軌道相互作用が従来の予想を超ピン流を流すこともできる．スピン流はスピントロニクスにえる大きな効果をもたらすことがある．スピン軌道トルクにおける最も基本的な概念の 1 つで，磁気と電気，あるいは

よる磁化反転はその一例である．また，空間の非反転対称性

磁気と他の物理量との変換の基礎である． 2007 年から 5 年とスピン軌道相互作用を起源として磁気モーメント間に働く

間，筆者が領域代表となり，科学研究費特定領域「スピン流ジャロシンスキー・守谷相互作用は，きわめて弱い相互作用の創出と制御」が設定され，スピン流創出源となる材料からと考えられていたが，磁性超薄膜の磁気構造やダイナミック

ナノへテロ構造，スピン流に関わる物性と機能制御に至るまスに顕著な影響を及ぼすことが明らかにされつつある．これ

で，金属や半導体という既存分野の枠を越えて，全国のスピらのスピン軌道相互作用が特に強い系に関する研究は，スピントロニクス研究者が結集して研究を進めた．そして，スピンオービトロニクスと呼ばれる．スピンカロリトロニクスやンゼーベック効果や巨大スピンホール効果の発見，スピン波

スピンメカニクス，スピンオービトロニクスはスピントロニ

スピン流やスピンダイナミクスに関する研究など，スピン流

クスから発展した新しい分野であり，ポストスピントロニク

研究に大きな発展をもたらす成果が得られるとともに，ハースと言うことができる．

フメタル・ホイスラー合金の膜面垂直通電型(CPP)GMR な
ど，材料研究においても進展があった．また，それまであま.

先端材料と将来展望

り馴染みのなかったスピン流という言葉が一般的に使われるようになり，スピン流に関わる研究会やシンポジウムが多く

スピントロニクスは GMR の発見から始まり，TMR の研開催されるようになった．日本金属学会においても， 2010

究によってさらに大きく発展した． GMR も TMR も HDD

年春季講演大会で「スピン流の創出と制御のための材料創製の読取ヘッドとして完全実用化され，IT の発展に貢献した．

と評価」と題する公募シンポジウムが開催され，さらに会報

GMR や TMR は，薄膜の積層制御や界面制御など，まさにまてりあの 49巻 12号( 2010 年)にミニ特集「スピン流の創出

材料技術の結晶である．HDD のさらなる高記録密度化に対

表2

スピントロニクス年表(2)．

科研費特定領域「スピン流」が設定された2007年以後の重要な発見，研究，出来事をまとめた．



特

集

応する読取ヘッドとして，現在 CPPGMR が注目されている．現在用いられている MgO トンネル障壁を用いた TMR

文

献は，抵抗変化率は大きいが，電気抵抗も高いことが高記録密度化への障碍となっている．一方 CPPGMR は全層が金属で構成されているのでそもそも電気抵抗は低いが，抵抗変化率も小さいことが問題であった．しかし，ハーフメタル・ホ
イスラー合金を電極材料として用いることによって，近年大きな抵抗変化率が得られるようになった(55)．ハーフメタルとは，伝導電子のスピン分極率が100となる特異なバンド構造を有した物質であり，究極のスピントロニクス材料と期
待 さ れて い る． Co2MnSi な ど のホ イ スラ ー 合金 の 一部 やFe3O4 などの酸化物の一部はハーフメタルと考えられている．これまでのスピントロニクスで使われてきた磁性材料は，Fe, Co, Ni をベースにした言わば従来型の合金であるが，今後のスピントロニクスには，ハーフメタルの使用など，磁性材料そのものの高度化が必須である．
HDD の読取ヘッドに加えて，スピントロニクスのもう一つの大きな応用として MRAM がある．MRAM のメモリーセルとして TMR 素子が使われるが，今後 MRAM がどれだ
け高性能化し市場規模を伸ばせるかも，TMR 素子の電極となる磁性材料にかかっている．MRAM の高性能化に必要な磁性材料には，高い抵抗変化率と低電流による磁化反転および長時間の記録保持を実現するために，高いスピン分極率と高い磁気異方性，低い磁気ダンピング定数の 3 つの条件を満足しなければならない．高いスピン分極率を有するハーフ
メタル・ホイスラー合金は，ダンピング定数は低いが磁気異方性も低い．一方，高い磁気異方性を有する材料は，一般的に磁気ダンピング定数も高い．いまだに最適な材料は見出されてはいないのが実状である．
最近では，究極の低消費電力を実現するスピントロニクス
素子への応用として，電流は流さず電圧印加による磁化の制御も注目されている(56) ．表 1 および表 2 にも示したように，磁性体の電圧制御(電界効果)はスピントロニクスの歴史とともに比較的古くから研究されてきているが，素子応用に
は電界効果のさらに大きな材料が求められている．
前節で述べたポストスピントロニクスは，現在基礎研究の段階であるが，素子としての応用を考えると材料の高度化が不可欠である．スピンカロリトロニクスやスピンメカニクス
では，応用のためには熱(力学的運動)⇔スピン流⇔電流の変換効率の桁違いの向上が必要であり，新物質の開発と原子レベルの界面制御が求められる．また，スピンオービトロニク
スでは，一般にスピン軌道相互作用が高い元素は高価であり，応用には元素戦略的な観点が必要である．応用へのブレ
イクスルーはあくまで材料であり，日本金属学会がスピント
ロニクスそしてさらにポストスピントロニクスにおいても，材料分野のコミュニケーションの場として，大きな役割を果たすことを期待したい．

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
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M. Samant and SH. Yang: Nat. Mater., 3(2004), 862867.
(28) S. Yuasa, T. Nagamhama, A. Fukushima, Y. Suzuki and K.
Ando: Nat. Mater., 3(2004), 868871.
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(32) J. Wunderlich, B. Kaestner, J. Sinova and T. Jungwirth: Phys.
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(33) K. Yakushiji, F. Ernult, H. Imamura, K. Yamane, S. Mitani, K.

Takanashi, S. Takahashi, S. Maekawa and H. Fujimori: Nat.
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(39) I. Appelbaum, B. Huang and D. J. Monsma: Nature, 447(2007), 295298.
(40) B. T. Jonker, G. Kioseoglou, A. T. Hanbicki, C. H. Li and P. E.
Thompson: Nat. Phys., 3(2007) 542546.
(41) M. Weisheit, S. F äahler, A. Marty, Y. Souche, C. Poinsignon
and D. Givord: Science, 315(2007), 349351.
(42) T. Seki, Y. Hasegawa, S. Mitani, S. Takahashi, H. Imamura,
S. Maekawa, J. Nitta and K. Takanashi: Nat. Mater., 7(2008),
125129.
(43) T. Yang, T. Kimura and Y. Otani: Nat. Phys., 4(2008), 851
854.
(44) K. Uchida, S. Takahashi, K. Harii, J. Ieda, W. Koshibae, K.
Ando, S. Maekawa and E. Saitoh: Nature, 455(2008), 778
781.
(45) T. Iwase, Y. Sakuraba, S. Bosu, K. Saito, S. Mitani and K.
Takanashi: Appl. Phys. Exp., 2(2009) 063003.
(46) T. Maruyama, Y. Shiota, T. Nozaki, K. Ohta, N. Toda, M.
Mizuguchi, A. A. Tulapurkar, T. Shinjo, M. Shiraishi, S.
Mizukami, Y. Ando and Y. Suzuki: Nat. Nanotech., 4(2009),
158161.
(47) S. Ikeda, K. Miura, H. Yamamoto, K. Mizunuma, H. D. Gan,
M. Endo, S. Kanai,J. Hayakawa, F. Matsukura and H. Ohno:Nat. Mater., 9(2010), 721724.
(48) Y. Kajiwara, K. Harii, S. Takahashi, J. Ohe, K. Uchida, M.
Mizuguchi, H. Umezawa, H. Kawai, K. Ando, K. Takanashi,S. Maekawa and E. Saitoh: Nature, 464(2010), 262267.
(49) I. M. Miron, K. Garello, G. Gaudin, PJ. Zermatten, Marius V.
Costache, S. Auffret, S. Bandiera, B. Rodmacq, A. Schuhl and
P. Gambardella: Nature, 476(2011), 189194.
(50) I. M. Miron, T. Moore, H. Szambolics, L. D. Buda
Prejbeanu,
S. Auffret, B. Rodmacq, S. Pizzini, J. Vogel, M. Bonfim, A.
Schuhl and G. Gaudin: Nat. Mater., 10(2011), 419423.
(51) A. Thiaville, S. Rohart, E.
Á Ju áe, V. Cros and A. Fert: EPL, 100(2012), 57002.
(52) A. Fert, V. Cros and J. Sampaio: Nat. Nanotech., 8(2013),
152156.
(53) T. An, V. I. Vasyuchka, K. Uchida, A. V. Chumak, K.
Yamaguchi, K. Harii, J. Ohe, M. B. Jungfleisch, Y. Kajiwara,
H. Adachi, B. Hillebrands, S. Maekawa and E. Saitoh: Nat.
Mater., 12(2013), 549553.
(54) R. Takahashi, M. Matsuo, M. Ono, K. Harii, H. Chudo, S.
Okayasu, J. Ieda, S. Takahashi, S. Maekawa and E. Saitoh:Nat. Phys., 12(2016), 5256.
(55) 解説として，Y. Sakuraba and K. Takanashi: Giant Magnetoresistive Devices with HalfMetallic Heusler Compounds,
Heusler Alloys, Springer Series in Materials Science Vol. 222,
Eds., C. Felser & A. Hirohata, Springer, (2014), Chap. 16.
( 56 ) 例えば，JST 革新的研究開発推進プログラム(ImPACT)，無
充電で長時間使用できる究極のエコ IT 機器の実現
http://www.jst.go.jp/impact/program/04.html★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
1986 年 3 月

高梨弘毅

東京大学大学院理学系研究科博士課程修了
1986年 4 月 東北大学金属材料研究所助手
同助教授
1994年 2 月
同教授(～現在)2000年11月
同所長(～現在)2014年 4 月
専門分野磁性材料学・スピントロニクス◎学生時代から現在まで一貫して磁性薄膜の研究に従事．金属人工格子の研究からスタートし，現在はスピントロニクス材料としての規則合金薄膜の研究に取り組んでいる．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

特

集

熱
電力変換の新展開

宗

藤

伸

治

る(5)(8) ．内包されたアルカリ金属やアルカリ土類金属は，

.

は じ

め

に

この結晶構造内において電子を供給するドナーとして働く
が，シリコンサイトに置換された元素の多くはアクセプター

エンジンなどの内燃機関では，本来の目的である人の移動として働くことが報告されており，シリコンサイトへの元素や貨物の輸送などに使用されるエネルギーは投入エネルギー

置換は，キャリア濃度制御としての役割も果たす．最近，我の約 30 であり，残りの 70 は最終的には熱として大気に々のグループで行ってきた Au を置換元素として添加した

放出されている．その排熱を電気エネルギーとして回収する

Ba8AuxSi46－x クラスレートの単結晶化に関する研究において，ことのできる技術の 1 つとして熱電発電が挙げられる．熱Au の組成を傾斜させると温度差を与えずとも電圧を発生す

電発電は，タービンを動かすことなく熱エネルギーを電力にる現象を確認した(9)．試料内に温度差を与えないため，熱流直接変換できるため，メンテナンスフリーの発電として注目は発生せず，効率よく熱を電力に変換できる可能性がある．

されつつある．熱電発電は，約200年前に Seebeck により発

本稿では，その原理についての考察を行う．

見された現象(ゼーベック効果)(1)を用いて行われ，材料の一方を高温に，他方を低温に保つことにより，熱起電力を得る

.

実

験

方

法

ことができる．しかしながら，低温部の温度を保つためには，冷却が必要となり，熱エネルギーを回収したいにも関わ

高純度の Ba, Au, Si をモル比が Ba  Au  Si ＝ 8  8  38

らず，熱エネルギーを放出する必要がある．すなわち，熱エとなるように秤量し，アーク溶融法により一旦，合金を作製

ネルギーを得るために，熱エネルギーを捨てなければならなした．この合金を粒径 5 mm 程になるように砕き，直径 50いこととなる．そこで，熱電材料の設計指針の一つとして，mm×高さ60 mm のアルミナ坩堝に入れ，チョクラルスキー

材料の熱伝導度を小さくすることで，材料内の熱流を小さく引き上げ(CZ)装置に導入した．CZ 装置内で，粉砕された試し，低温部での熱エネルギーの放出を抑えることが挙げられ

料を約 1150 °C に加熱し，融液を作製した．その液面に，鉛る．我々はその過程の中で，低熱伝導度を有するシリコンク

筆状に先を尖らせたシード結晶を数 mm 浸し， 30 rpm で回ラスレートに着目し研究を行ってきた(2)(4) ．シリコンクラ

転させながら，5 mm/h の速度で引き上げを行うことによりスレートは，図に示すようなシリコンで構成されたカゴ状単結晶化を試みた．その際，融液と引き上がる結晶の体積をネットワーク内にバリウムなどのアルカリ土類金属もしくは調整することにより，組成傾斜 Ba8AuxSi46－xクラスレート単

アルカリ金属を内包したユニークな結晶構造をしている．こ結晶の引き上げを行った．

の内包されたバリウム原子などの熱振動がフレームワークのシリコンのフォノンを散乱し，非常に小さな熱伝導度を示す

.

結果および考察特徴を持っている．また， Ba8Si46 クラスレートのシリコンサイトに種々の元素を置換することにより，金属から半導体

CZ 装置により作製した試料の外観を図に示す．この試およびキャリアタイプなどを幅広く変化させることができ料を図 2 に挿入した 11 区分で裁断し，それぞれに No. 0 か九州大学大学院工学研究院材料工学部門准教授(〒819
0395 福岡市西区元岡744)
The Evolution of Heatelectric Power Generator; Shinji Munetoh(Department of Materials Science and Engineering, Kyushu University,
Fukuoka)
Keywords: power generator, clathrate crystal, Seebeck effect, band gap
2016年 6 月14日受理[doi:10.2320/materia.56.195]

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan




表1

引き上げ方向と垂直に輪切りに切り出した試料の組成分析結果．
料

BaAuSi(モル比)No. 07.564.7541.24

No. 1

7.534.7541.24

No. 2

7.534.6641.34

No. 3

7.514.7641.24

No. 4

7.494.8041.20

No. 5

7.454.9541.05

No. 6

7.495.0440.96

No. 7

7.395.0840.92

No. 8

7.455.0940.91

No. 9

7.465.0340.97

No. 107.405.1340.87

試

図1

図2

Ba8Si46 クラスレートの結晶構造．

チョクラルスキー(CZ)法により作製された試料．

図3

試料 No. 1～ 4 におけるゼーベック係数の温度依
存性．

図4

試料 No. 5～10におけるゼーベック係数の温度依存性．

ら No. 11 までの番号を付けた．引き上げ方向と垂直に輪切りに切り出した試料( No. 0～ No. 10 )において，波長分散 X
線分光( WDX )を用いて組成分析を行った結果を表に示す．分析結果から，この試料は引き上げ上部から下部にかけて徐々に Au の濃度が上昇している組成傾斜材料であることが分かる．初期融液の仕込み組成は Ba8Au8Si38 であり，引き上げ初期の結晶の Au の組成は初期融液よりも小さいことから，引き上げ中に結晶に取り込まれなかった Au が融液中に濃化していき， Au 濃度の高い融液からは Au 濃度の高い結晶が引き上がっていることが推測できる．また，XRD やEBSP の結果により今回作製した試料が単結晶 Ba8AuxSi46－x

クラスレートであることも確認された(9)．図および図に引き上げ方向と垂直に輪切りに切り出した試料のゼーベック
係数測定の結果を示す．試料 No. 4 と No. 5 を境に，引き上げ初期の部分は n 型であり，引き上げ後期には p 型の材料になっていることが確認できる．また，いくつかの試料はゼ



特

集

ーベック係数がピークを持つ温度依存性を示すものがあっる．そこで，試料の n 型側の部分を450°
C近傍に保持しつつ，た．このピークは，価電子帯から伝導帯へ電子励起が始まっ

p 型側の温度をそれよりも低温の440°
Cから高温の460°Cまでた温度(真性領域)を示していると考えられる．さらに，その変化させ，両端の電圧の観測を行った．その結果を図に示

ピーク位置はキャリアタイプが切り替わる組成(試料 No. 4

す．この観測された電圧がゼーベック効果によるものであれと No. 5 )に近づくにつれて，低温側にシフトしていること

ば，両端の温度が等しくなった場合に電圧はゼロになるはずが分かる．これは，真性半導体に近い組成の Ba8AuxSi46－x

であるが，ある一定の電圧が観測され，わずかに値が推移す

クラスレートは，狭いバンドギャップを有し，n 型もしくはる程度であり，ゼロを示すことはなかった．また，450°
C近p 型側に組成がずれるほど，ワイドバンドギャップ化するこ

傍での－1.5 mV の電圧は，図 5(b)のグラフの値とほぼ一致とを示唆している．図(a)に，試料 No. 11において試料内する．すなわち，この材料では保持温度を決定すると得られに温度差が付かないように試料全体の温度を上昇させている電圧が決まることとなる．

き，試料両端の電圧を測定した結果を示す．温度差を与えてこの観測された電圧の生じるメカニズムを，我々は次のよ

いないにも関わらず， 500°
C において 2 mV 以上の電圧が観うに考えている．今回作製された単結晶試料は種結晶に近い測された．また，試料の上下端を入れ替えて測定したとこ

側から，n 型→真性→p 型半導体となっており，同時にバンろ，図 5 ( b )のように電圧の向きが反対となる結果となっドギャップは，広い→狭い→広いとなっていることがゼーベた．しかしながら，測定装置内に温度差が存在し，それによック係数の温度依存性より推測でき，バンド図では図のより生じたゼーベック効果を観測している可能性が考えられ

図5

試料 No. 11 を温度差を付与せずに温度上昇させた場合の試料両端の電位差．( a ) p 側を電圧計の正側に接続した場合．( b ) n 側を電圧計の正側に接続した場合．

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan

図6

試料上部(n 型側)の温度( Tn)を 450°
C 近傍に保持しつつ，下部(p 型側)の温度(Tp)を変化させた場
合の(a)測定の模式図および(b)観測された電圧．




図7

本研究で作製された試料のバンド図および均一温度環境下における発電原理．

文

うに表される．この試料を温度差を付与することなく均一に献昇温した場合，価電子帯から伝導帯に電子励起の確率が大きくなるのは，バンドギャップの最も狭い真性半導体部分である．その電子励起により生じた電子および正孔はバンドの傾きに応じて，それぞれ n 型および p 型半導体部分に空間的に分離され，電位差が生じたものと考えられる．

. ま

と

め

以上の結果より，p/n 接合において接合部のバンドギャッ
プが狭くなるようなバンド構造を形成した試料において，温度差を与えることなく均一に加熱することにより電圧が発生することが確認された．このメカニズムはバンドギャップの狭い p / n 接合部においてのみ電子が励起され，バンドの曲がりに応じて空間的に電荷分離が行われたためと考えられる．温度差を付与する必要がないため，試料内に熱流は発生せず，変換効率の大きな熱電力変換素子の開発が期待でき( 1 ) T. J. Seebeck: Magnetische Polarisation der Metalle und Erzedurch TemperaturDifferenz, Abhandlungen der Deutschen
Akademie der Wissenschaften zu Berlin, (1823), 265373.
( 2 ) N. Mugita, Y. Nakakohara, R. Teranishi and S. Munetoh: J.
Mater. Res., 26(2011), 18571860.
( 3 ) B. Liu, M. Saisho, Y. Nagatomo, T. Oka, T. Osada, H. Miura,
O. Furukimi and S. Munetoh: Appl. Mech. Mater., 310(2013),
5960.
( 4 ) S. Munetoh, M. Saisho, T. Oka, T. Osada, H. Miura and O.
Furukimi: Electron. Mater., 43(2014), 24302434.
( 5 ) J. H. Roudebush, M. Orellana, S. Bux, T. Yi and S. M.
Kauzlarich: J. Solid State Chem., 192(2012), 102108.
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Podloucky and S. Paschen: Phys. Rev. B, 85(2012), 165127.
( 7 ) H. Anno, M. Hokazono, R. Shirataki and Y. Nagami: J. Mater.
Sci., 48(2013), 28462854.
( 8 ) L. Qiu, I. P. Swainson, G. S. Nolas and M. A. White: Phys.
Rev. B, 70(2004), 035208.
( 9 ) K. Yamasoto, Y. Osakabe, S. Adachi, S. Munetoh and O.
Furukimi: MRS Advances, (2016) doi:10.1557/adv.2016.292.

る．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

宗藤伸治



1998年 九州大学大学院工学研究院修士課程修了
1998～2003年 住友金属工業株式会社
2003年 九州大学大学院工学研究院博士課程修了
2003年 4 月 九州大学大学院助手
2010年 4 月 九州大学大学院准教授，現在に至る
専門分野固体物性◎熱電発電材料の新材料探索と応用に従事．
チョクラルスキー法を用いた単結晶育成や計算機シ
ミュレーションによる解析を中心に活動中．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

特集

量子ビームを用いた永久磁石材料の
評価分析
小

野

寛

太

 円偏光や線から X 線までの広い波長領域が利用出来る，◯

.

は じ

め

に

 パルス光であるため時間分解実験が可能
直線偏光の利用，◯である，ことなどである．例えば大型の放射光施設である
量子ビームとは加速器や研究用原子炉で発生する放射光や

SPring 8 で発生する放射光の明るさは， X 線発生装置で発中性子線の総称であり，近年では材料の評価・解析に欠くこ

生する X 線の明るさに比べ，約100万倍(偏向電磁石)～約10との出来ないツールとなっている．量子ビームを利用した研億倍(アンジュレータ)であり，放射光が材料評価にとって有究は材料科学のみならず生命科学，環境科学から医学までの用であることは実感できると思う．放射光を発生するための幅広い分野で行われており，最近では量子ビームを利用した装置は，電子ビームを発生させ光速近くまで加速するための評価・解析技術を産業界での研究開発に広げようとする試み

入射器とよばれる加速器と，電子ビームを円形の軌道に貯めが盛んに行われている．

ておくための蓄積リングとよばれる加速器から成り立ってい

幅広い分野で利用されている量子ビームであるが，一般的る．放射光施設には，電子ビームの加速エネルギーがおよそには大型施設であり，国内の数カ所に設置されているのみで

10～ 80億電子ボルト( 1～ 8 GeV )の円形加速器(周長数 10 mあることや，実験装置を多くの利用者が利用することなど，～ 1,400 m )が設置されており，加速器で発生した放射光は通常の実験室の解析装置を用いた材料評価とは異なることもビームラインを通って分光や集光されたのち実験装置に導か多い．本稿では量子ビームの特徴について紹介したのち，材れ，利用研究が行われている．上述したように放射光の大き料の評価・解析にどのように役立っているか，今後はどのよ

な特徴は強度が強いことと指向性が良い，すなわち微小サイ

うに発展するかについて，最近の研究例の紹介と合わせて論ズへの集光が可能なことであり，この特長を活かした材料研

じる(1)．

究が進展している．
一方，中性子線の発生については研究用原子炉を利用した

. 量 子 ビ ー ム

ものと陽子加速器による核破砕パルス中性子の発生という 2
つの異なる発生方法がある．研究用原子炉では炉心での原子材料研究に特によく利用される量子ビームは放射光と中性

核反応により中性子を発生させるのに対し， J PARC の中子線である．放射光はほぼ光速で運動する電子が，円形の加性子施設など陽子加速器を使った中性子発生源では，高エネ

速器などにおいて，その進行方向を磁石などで変えた際に発ルギーの陽子を核破砕ターゲットとよばれる重金属(J

生する電磁波のことであり，歴史的には 1947 年に電子シン

PARC の場合は水銀)に衝突させ，核破砕反応により中性子

クロトロンで初めて観測された現象である．放射光の特徴を発生する．両者の主な違いとして原子炉中性子源では定常は，赤外線から X 線までの連続した波長の指向性の良い明的な中性子線が発生するのに対し，加速器による核破砕中性

るい光が得られることである． X 線管球などの X 線光源と子源ではパルス中性子が発生する．中性子の特徴としては，

極めて明るい，
比べると以下の多くの特徴がある．それは，◯透過性が高いこと，軽元素への感度が高いこと，磁気への感 指向性が良くナノサイズまでの集光が可能である，◯
 赤外◯

度が高いこと，エネルギーが低くフォノンやマグノンなどの高エネルギー加速器研究機構准教授(〒3050801 つくば市大穂 11)
Characterization of Magnetic Materials Using Quantum Beams; Kanta Ono (High Energy Accelerator Research Organization (KEK),
Tsukuba)
Keywords: quantum beam, synchrotron radiation, neutron, xray
2016年11月28日受理[doi:10.2320/materia.56.199]

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan素励起を観察するのに適していること，があげられる．これ

より，高性能磁性材料に必要な磁気異方性の起源の探索や保らの特徴は材料の評価・解析には非常に有効である．透過性

磁力メカニズムの解明，さらには製造プロセスにおける問題が高いことによりバルク材料の解析や高温でのその場観察が点の解明までを行い，希少元素を代替する高性能磁性材料開容易になり，軽元素への感度が高いことは水素やリチウムな発に資することを目的として研究を行っている．

どの軽元素の挙動が重要な電池の解析では威力を発揮する．

永久磁石の性能はエネルギー積( BH )max で表される．現

また，磁気への感度が強いことにより，磁性材料研究には不在，最も高性能な永久磁石は NdFeB 磁石であり，エネル

可欠なツールとなっている．

ギー積がおよそ 440 kJ/m3 の NdFeB 焼結磁石が量産されこのように，放射光と中性子にはそれぞれ異なる特徴があている．また，実験室レベルでは 474 kJ / m3 を達成しており，材料の解析ではこれらの特徴を上手く活かし，場合により，この磁石のエネルギー積は Nd2Fe14B 相の飽和磁化からっては放射光と中性子を両方使った研究が必要となる．次節見積もられるエネルギー積(BH)max＝512 kJ/m3 の90を超では，磁性材料研究を例にして，量子ビームの有用性を論ずえている，エネルギー積という観点では既にほぼ最高性能のNd FeB 焼結磁石が実現出来ている．一方，永久磁石の減る．

磁耐性の指標である保磁力は，理論上限である異方性磁場の.

量子ビームを利用した磁性材料研究

わずか 15 ～ 20 しか達成できていない．このため保磁力メ
カニズムの解明が現在の磁性材料研究の大きな柱となってい地球温暖化を緩和し将来の低炭素社会を実現するためにはる．

化石燃料消費の低減が必須である．輸送部門においては，ハまた，希少元素の代替という点では，永久磁石材料におけイブリッド自動車や電気自動車へ切り替えることにより，大る希土類元素の果たす役割を電子論的に理解し，代替の方法

幅なエネルギー効率の改善が見込まれる．ハイブリッド自動を考える必要がある．永久磁石材料では構造が複雑であり，車や電気自動車では，駆動用モータはバッテリーや動力制御

さらに希土類元素が含まれていることから，最も基本的な物

装置などとともに最も重要な要素であり，エネルギー効率の性パラメータである磁気構造を正確に決定することも容易で高いハイブリッド自動車の実現には高性能の永久磁石材料がは無い．例えば最も高性能な永久磁石である NdFeB 磁石

必須となっている．

ではユニットセルに68個の原子を含み(そのうち磁性を持つ

ハイブリッド自動車モータの磁石温度( 150～ 200°
C 程度)

原子は 64 個)，さらに Fe の非等価なサイトが 4 サイト，希での安定性を考えると，NdFeB の主要 3 元素より成る焼土類が 2 サイト存在する．それらの各サイトにおける磁気結磁石では減磁の可能性があり， Dy 等の重希土類元素でモーメントを正確に決定することは重要であるが，これらのNd を部分置換することにより，耐熱性を確保している．し評価には放射光 X 線回折による結晶構造解析と中性子回折

かしながら， Dy は Fe と反強磁性的に磁気結合するため飽による磁気構造解析とを組み合わせる必要があり，量子ビー

和磁化は減少し，エネルギー積(BH)max も低下する．また，ムを総合的に用いた解析が必須となっている．

Dy は高品位の鉱床が世界的に少なく，採掘量に大きな制約

既存の磁性材料の高性能化のためには，保磁力メカニズムがある．今後の需要の増加を考えると希少資源である Dy 等を解明することが必要不可欠である．保磁力を高めるための重希土類元素を低減し，かつ高温で高い保磁力を実現するに，ネオジム磁石では Nd2Fe14B 結晶粒を Ndリッチ相で覆高性能磁性材料の開発が急務である．

い，個々の Nd2Fe14B 結晶粒の間を磁気的に分断することが資源問題の観点から考えると，高性能の永久磁石材料に用重要であると言われている．また，異方性磁場より，はるか

いられる希土類金属などの希少元素は，風力タービン，電気に低い磁場で磁化反転が発生するのは，界面での欠陥や自動車，太陽電池，エネルギー効率の高い照明などのクリー

Ndリッチ相の不均一性などであると考えられているが，未ンエネルギー技術に必須の元素であるが，米国エネルギー省

だに明らかになっていない．これらの点を解明するためにの Critical Materials Strategy ( 2011 )によると，特に 5 種類

は，局所的な磁気構造と組織構造を明確にすることが非常にの希土類金属(ジスプロシウム，ネオジム，テルビウム，ユ重要である．このため，放射光では X 線がナノメートル領

ウロピウム，イットリウム)の供給リスクが将来のクリーン域まで集光できる特性を活かした走査型透過 X 線顕微鏡

エネルギー技術に多大な影響を及ぼすとしている．

(STXM : Scanning Transmission Xray Microscopy)による

このような背景のもと，希少元素を代替する高性能磁性材

ナノスケールでの磁区観察が重要である．一方バルク中での料の開発が急務となっている．希少元素を代替する高性能磁

磁気的な微細構造や組織構造についても明らかにする必要が性材料の開発を進めるためには，既存の磁性材料の抱える問あり，これに関しては中性子小角散乱など中性子の利用が不

題点の洗い出し，高い磁気異方性や保磁力の発現メカニズム

可欠である．このように磁石材料の研究では，量子ビームすの解明，新規磁性材料の高スループットでの評価・解析が重

なわち中性子と放射光を総合的に利用した評価・解析が極め要となっている．そこで，最先端の電子顕微鏡を用いた微細て重要である．中性子や放射光を個別に利用した研究は盛ん

組織評価と合わせて，放射光および中性子など量子ビームのに行われているが，複数の量子ビームを総合的に利用した研利用が欠かせない．

究はこれまでほとんど行われていない．そこで，われわれは

われわれは放射光および中性子を総合的に利用することに

中性子と放射光を総合的に利用した研究により，磁性材料全特集

般に適用可能な評価・解析技術に関する方法論を確立し，磁STXM を用いて保磁力メカニズムを解明するためには，性材料の磁化過程や保磁力メカニズムなどの問題を解明し，外部磁場を加えて磁化反転過程を観察することが必要不可欠

自動車用高性能モータのための高性能磁性材料開発につなげである．外部磁場下での X 線顕微鏡観察は，これまで数ることを目指している．

100 Oe 程度までしか行われていなかったが，磁場印加シス

磁性材料研究については，軟 X 線，硬 X 線，中性子を幅テムの開発により，図に示すように最大 20 kOe までの磁広く用いた研究を行う必要があり，それらの量子ビームを用

場下で，数 10 ナノメートル空間分解能での元素識別磁区観

いた材料評価の研究例を示す．

察も可能になっている．この技術を用いることで，磁化反転【放射光 X 線顕微鏡による元素識別磁気構造観察】

過程の高分解能観察が可能になり，逆磁区の発生の様子，逆放射光の有する高い輝度と指向性を利用した研究として，

磁区発生サイトの特定，磁壁ピニングサイトの特定などが可STXM を用いた Nd Fe B 磁石をはじめとする高性能磁性能である．さらに，磁化反転過程を磁場下での磁区観察から

材料の元素識別磁区観察について紹介する．(Nd, Dy)Fe 

明らかにすることができる．

B 焼結磁石などの高性能磁性材料について消磁状態での磁気STXM を用いてナノレベルで磁壁エネルギー，磁気異方構造観察と TEM による微細組織観察から，ナノレベルで磁性の空間分布を求め，化学状態分布や微細組織構造との相関

壁エネルギー，磁気異方性の空間分布を求め，化学状態分布を明らかにするためには，保磁力と相関するパラメータを変や微細組織構造との相関を明らかにすることが可能であ化させた試料の観察が重要である．

る(2)(3)．
STXM では X 線集光素子により X 線を試料上の 10 ～ 30

磁気双極子相互作用の可視化のためには， STXM によって得られる磁化分布像より磁気双極子エネルギーを計算する

ナノメートル程度の微小スポットに集光し，試料のスキャンと透過 X 線強度の測定から試料イメージを得る．他の磁区観察手法と比較して，高い空間分解能で観察が出来ることがSTXM による磁区観察の特色である．STXM を用いることのメリットは他にもあり， X 線の波長を遷移金属元素や希土類元素の吸収端に設定することで，特定の元素を選択した
元素選択イメージング(化学イメージング)が可能になる．化学イメージングでは元素濃度および化学結合状態(価数)の分布を観察することができる．さらに， X 線磁気円二色性という X 線領域での磁気光学効果を用いることにより，元素選択的にスピン・軌道磁気モーメントをそれぞれ分離して定量的に求めることができる．さらに STXM は透過電子顕微鏡( TEM )と試料の互換性があるため， TEM 用の試料作製技術を応用することができるほか， STXM 観察と同一部分の TEM 観察も可能であり，図のように元素識別した磁区構造，各構成元素の化学状態分布，微細組織構造(TEM )を得ることができる．
消磁状態の磁区観察からは磁壁エネルギーおよび磁気異方性に関する情報を得ることができる．さらに， X 線磁気円
二色性解析でスピン磁気モーメントと軌道磁気モーメントとを分離して定量測定可能であり，軌道磁気モーメントの空間マッピングにより，磁気異方性の空間分布を 10 ナノメート
ル程度の空間分解能で観察可能である．われわれのグループ

図1

放射光 X 線顕微鏡を用いた磁気状態と化学状態のマッピング．

図2

放射光 X 線顕微鏡による磁化反転過程の観察．

では，このような観察が可能な STXM 装置の研究開発を行い，すでに高エネルギー加速器研究機構の放射光科学研究施
設 Photon Factory で稼働している(4)．
X 線顕微鏡で得られた磁区構造情報を解析し，保磁力メカニズムの解明に結びつけるには，画像情報から定量的な物
理量を抽出することが不可欠であると考えている．しかしな
がら，磁区情報から定量的な物理パラメータを導いた例はほとんどない． STXM 像の解析により，磁気双極子相互作用の空間分布を数 10 ナノメートルの高い空間分解能で可視化
および定量化できることが示されている(5)．

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan必要がある．磁気双極子相互作用のポテンシャルエネルギー

用により，焼結磁石中の微細組織構造を明らかにし，保磁力

U (磁気スカラーポテンシャル)を STXM 像より計算する手メカニズムが解明されることを期待している．さらに，高温法が考案され，ポテンシャルエネルギー U と外場 H の関係

度下で焼結磁石中の微細組織構造の構造変化をその場観察す

は H＝－;U で与えられるため，空間の各点における磁気双ることにより，アニーリングプロセスと微細組織構造，磁気極子エネルギー密度を計算することが可能になった(5)．

特性との関係が明らかになるであろう．

われわれが開発した上記の方法を用いた可視化により，通Nd Fe B 焼結磁石の結晶粒界に存在する Nd リッチ相な常の測定では困難な磁気双極子エネルギーの可視化が可能に

どの副生成相の構造および組成を明らかにするためには，粉なった．今後は各ハミルトニアンの空間分布についての可視末中性子回折が重要である．粉末中性子回折により副生成相

化により，材料のさまざまな特性についてエネルギー論の立の構造を明らかにするとともに，体積分率を定量的に評価す場から解明することが可能になるであろう．

ることが出来る．

【中性子回折を用いた磁性材料の解析】

また，高温でのポストアニーリングプロセスや Dy の粒界

中性子回折は磁性材料の構造の決定のみならず，各サイト

拡散プロセスなどを原子レベルで明らかにするためには，高での元素の占有率や各サイトの磁気モーメントを正確に決定

温度下での in situ 中性子回折が最も適したツールである．

できる手法であり，磁性材料研究にとって最も基本的かつ重高温度下での中性子回折により副生成相の構造，組成や液相要なツールの一つである．中性子回折を用いた磁性材料の評

出現反応過程が明らかになる．近い将来には，産業界で行わ価・解析として下記の 3 つのテーマが重要であると考えてれている実際のプロセスを模した実験も可能になるであろう．

いる．






磁性材料のサイト占有率の決定，磁気構造解析

新規磁性材料の磁気異方性の起源の解明

高い磁気異方性を有する磁性材料を探索するためには，磁Nd2Fe14B を高温環境で用いる場合，保磁力を確保するた

気異方性の起源を解明する必要がある．希土類由来の磁気異めに Dy 添加や結晶粒微細化あるいは結晶粒の磁気的分断を方性はキュリー温度より比較的低温で揺らぎのため消失するするための作製プロセスが必須である．中でも Dy 添加は高と考えられており，希土類および遷移金属が磁気異方性に果い保磁力を得られる手法として広く使われているが，希少元たす役割を解明するためには，希土類と遷移金属の間の交換素である Dy の使用量を低減することは，元素戦略の観点か結合を定量的に計測する必要がある(7)．低温からキュリー温ら極めて重要な課題である．われわれは添加した Dy が結晶度まで温度変化させた中性子回折測定を行い，各サイトでの学的に片寄って存在するサイト選択性について， 4f サイト

磁気モーメントの変化を詳細に調べることにより，希土類磁がより優先的に Dy によって置換されることを，中性子回折石の磁性の描像を微視的に解明することが可能になり，希土および放射光 X 線回折を相補的に用いた実験で明らかにし類および遷移金属の役割を明らかにするのみならず，磁性材

た．また，第一原理計算と計算熱力学計算とを組み合わせた料の温度依存性の理論構築にも貢献できる．

理論計算により，サイト占有率を決定することが可能にな

以上のように，量子ビームを用いた評価・解析は永久磁石

り，計算結果と中性子回折実験から得られた結果は良い一致

材料を例にとっても多岐にわたっており，それらを総合的にを示した．このように希土類磁石においては希土類元素

活用することで材料の特性発現メカニズムの解明にせまり，(RE)を変化させたときの，サイト選択性を網羅的に調べる

材料製造プロセスの最適化にも繋げることが出来る．また，ことにより，希土類のサイト選択メカニズムを解明すること

電子材料をはじめとして構造材料などさまざまな材料分野でが可能になる．

量子ビームは非常に強力なツールとなっている．

また，中性子回折を用いた磁気構造解析を物性評価のツー.

ルとして，新規に開発された磁石の評価に用いることも重要

結言である．例えば J PARC では，中性子線の強度が非常に強く，強い中性子の吸収によりこれまで研究がほとんどなされ

材料研究において材料特性は，物質の持つ intrinsic な物ていないサマリウムを含む磁性材料の粉末中性子回折なども性のみならず，微細組織で大きく変化するため，材料特性の可能になっている(6)．

発現メカニズムを解明するためには，原子レベルから微細組

高温での磁性材料の主相や粒界相の構造解析

織サイズまでの広いスケールでの評価・解析が不可欠となる．また，材料特性がプロセスに大きく依存する場合には，

Nd Fe B 焼結磁石において，結晶粒界に存在する Nd リ

プロセス中の材料の構造をその場で観察することも重要となッチ相などの副生成相は保磁力などの磁気特性に重要な役割

る．このような評価・解析には量子ビームの利用が適していを果たしている．バルク焼結磁石中の副生成相の構造およびる．

体積分率やサイズを精密に解析する手法の確立により，保磁しかしながら，これまでは放射光や中性子は利用している力の支配要因を明らかにし，今後の高保磁力磁石の設計指針

ものの 1 つの実験手法のみで研究されてきた．今後は複数を与えることができると考えられる．中性子回折および同一の実験手法や複数の量子ビームを総合的に利用し，広いスケ試料についての電子顕微鏡や X 線顕微鏡観察の総合的な利ールで広い視点から評価・解析を行っていくことが重要とな



特

集

るであろう．また，量子ビームを用いた高速・高効率な材料評価とマテリアルズインフォマティクスとを組み合わせた新
しい材料探索の試みも近い将来に始まるであろう．量子ビー
ムを利用した評価・解析に携わるわれわれとしては，量子ビームの性能向上にばかり目を向けるのではなく，利用者にとっての使いやすさや，機械学習・人工知能といった最先端の情報通信技術を活用した全く新しい評価・解析技術を確立していかなければならない．若い研究者の力で量子ビームを用(2010)．
( 3 ) 小 野 寛 太 ， 荒 木 暢 ， 矢 野 正 雄 ， 宮 本 典 孝  ま て り あ 50
(2011), 379.
( 4 ) Y. Takeichi, N. Inami, H. Suga, C. Miyamoto, T. Ueno, K.
Mase, Y. Takahashi and K. Ono: Review of Scientific Instruments, 87(2016), 013704.
( 5 ) H. Ohtori et al.: J. Appl. Phys., 115(2014), 17A717.
( 6 ) K. Saito, N. Inami, Y. Takeichi, T. Ueno, R. Sagayama, R.
Kumai, T. Hansen and K. Ono: Acta Cryst. A, 70(2014),
C1460.
( 7 ) M. D. Kuz'min: Phys. Rev. B, 46(1992), 8219.

いた評価・解析技術が飛躍的に進展し，材料開発に真に不可★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

欠なツールとなることを期待している．

文献( 1 ) 門野良典，足立伸一，小野寛太，稲田康宏，伊藤晋一，鬼柳
善明，大友季哉，兵頭俊夫量子ビーム物質科学，共立出版(2013)．
( 2 ) 日本磁気学会編磁気イメージングハンドブック，共立出版

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan小野寛太

1996年 東京大学大学院理学系研究科博士課程修了．
博士(理学)
1996 年 4 月～ 2003 年 9 月 東京大学大学院工学系研究科助手
2003年10月現職
専門分野磁性材料，量子ビームを用いた解析◎量子ビームを用いた磁性材料の解析手法やシミュレーション手法の開発と応用に従事．放射光や中性子を用いた磁気構造観察を中心に活動．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★



第 4 分科(生体・福祉材料)

金属基生体材料の変遷と展望
小泉雄一郎1
石 本 卓 也3

疾患，負傷，老化等によって喪失した生体機能の再建は，古来，人類により望まれてきた．現状，世界的にも高齢化が進行し，生活の質(Quality of life, QOL)の維持・向上への要
求が益々高まっている．世界に先駆けて超高齢社会を迎えた
日本の高齢化率(65歳以上の割合)は，2005年の20.1から，2015 年現在 26.7 にまで達しており，この上昇傾向は今後
40 年以上に渡り続くものと予想される(1) ．日常生活に支障のある高齢者の割合は， 60 歳代後半で 15， 70 歳代前半で20， 70 歳代後半で 27 と，年齢とともに加速度的に増していく．こうした高齢化による QOL の低下を背景に，喪失した身体機能の即時的な回復を可能とするインプラントや，構成する生体材料への要求水準は益々高まっている．
金属材料は，ポリマーやセラミックスに比べて特に力学特性に優れるため，大荷重を支える骨や歯の代替・固定・矯正，繰り返し荷重下での耐久性を要する人工弁やステント等に用いられてきた．初期の生体用金属材料研究では，高強度・高耐食性を有し生体為害性のない材料の開発が中心であった．現在では，高齢化による長期間使用や，より活動的な生活を可能とするための基本的性能のさらなる向上と同時に，術後早期に生体機能を再建させるための骨形成能，術中術後の感染を抑制するため抗菌性，さらには手術の迅速化・精度向上のための医師による成形加工の容易さ等，多様な機能性付与の研究がなされるようになっている(2)．
一方，材料と生体組織との分子・細胞生物学的な反応機構の理解の深化，iPS 細胞の活用に象徴される再生医療や生体組織工学の発展により，生体材料に必要な機能に対する考え方も変化している．表面処理技術や設計・製造技術の進歩により，以前は不可能であった構造の付与による機能化も可能となってきている．
こうした背景の下，第 4 分科会では力学的適合性，表面機能，表面処理，生体組織再生，生体適合性の立場からの生体材料研究の変遷と展望について，金属基生体材料研究を牽引してきた研究者らに執筆を依頼した．
新家光雄(東北大学)名誉教授には，力学的生体適合性の立場から，生体為害性の低い元素で構成され，骨と同程度の低ヤング率を有するチタン合金の開発研究から，整形外科医か

上 田 恭 介1
大 津 直 史4

堤祐 介2
田 中 康 弘5らの要請に対応して手術中にヤング率が必要に応じて変化する，ヤング率自己調整合金の開発研究までを解説頂いた．
塙 隆夫(東京医科歯科大学)教授には，表面機能化の立場
から，接触する生体組織に応じた適合性や生体機能を金属材料に付与するための表面処理・表面改質の研究の変遷と展望について，国内の研究を中心に解説頂いた．
成島尚之(東北大学)教授には，表面処理による表面機能性付与の立場から，生体用金属材料の骨適合性や耐食性の向上，有害元素溶出抑制，抗菌性付与，生体吸収性制御等の表面処理プロセスの変遷と将来展望について解説頂いた．
中野貴由(大阪大学)教授には，生体組織再生の立場から，金属材料が多く適用される骨組織を中心に，近年の組織再生研究の進展とその理解に基づいた，今後の生体材料に要求される機能や生体組織再生研究の将来展望について解説頂いた．
山本玲子(NIMS)上席研究員には，生体適合性について，当初の「埋入部位周辺組織への許容性」から，細胞毒性，タンパク質・分子レベルでの接着性，接着界面での力学的適合性，組織再生の足場としての機能性への変遷と，それに伴う評価技術・指標の変遷，現状，課題，展望について解説頂いた．
各記事とも，金属基生体材料研究の変遷を種々の視点から解説し，将来展望について各筆者の思いが込められていて含蓄に富み，一般読者が本分野の動向を知るのにも好適であるとともに，生体材料研究に関わる読者が繰り返し熟読し，自身の研究の方向性を考えるための道導となっている．

文献( 1 ) 内閣府・平成28年度版高齢社会白書．
( 2 ) 成島尚之，中野貴由 編，バイオマテリアル研究の最前線，
日本金属学会(2014).

小泉雄一郎

上田恭介

堤

祐介

石本卓也

大津直史

田中康弘

東北大学准教授(〒9808577 仙台市青葉区片平 211）
東京医科歯科大学准教授 3 大阪大学講師 4 北見工業大学准教授 5 香川大学教授
History and Perspective of Metal-based Biomaterials; Yuichiro Koizumi, Kyosuke Ueda, Yusuke Tsutsumi, Takuya Ishimoto, Naofumi
Ohtsu and Yasuhiro Tanaka
Keywords: biocompatibility, surface functionalization, tissue regeneration, surface modification, cytotoxicity
2017年 1 月 6 日受理[doi:10.2320/materia.56.204]
1
2



特

集

力学的生体適合性の立場からの生体材料の変遷と展望
新

家

光

雄

性としてはヤング率が主体に論じられる傾向があるが，ここ

.

緒

言

では一般的力学的特性である疲労強度，強度―延性バラン
ス，靱性等の力学的特性の生体組織に対しての適正も広義の力学的生体適合性が特に重要となる生体材料は，大きな荷力学的生体適合性と考える(1)．

重を支持する機能が重要視される骨機能代替インプラント構
成材料(バイオマテリアル)が主となると言える．したがっ.

代表的インプラント用実用金属系バイオマテリアルて，これらのバイオマテリアルで構成されるインプラント
は，骨構造機能を発揮しなければならない．骨構造機能材料

代表的なインプラント用実用金属系バイオマテリアルであとしては，力学的信頼性が主たる要求因子の一つである．こる SUS 316L ステンレス鋼， Co Cr Mo 合金ならびにチタの観点からは，強度・延性バランスに優れる金属材料が有力

ンおよびチタン合金の中で，細胞毒性や動物実験から判断さで，事実インプラント構成材料のほとんどを金属材料が占めれる生体組織との化学的相互作用から判断される適合性，すている．バイオマテリアルでは，力学的信頼性とともに，生

なわち生物学的生体適合性に関しては，チタンおよびチタン

体への安全性が極めて重要な因子であり，バイオマテリアル

合金が最も優れていると言える(2)(4) ．このことを主要因と構成元素に毒性やアレルギー性などの生体為害性が無いことして，チタンおよびチタン合金がインプラント構成金属系バ

およびその溶出が無いこと，すなわち高耐食性が要求されイオマテリアルとして多く用いられるようになって来ている．以上のような観点から，これまでは，ステンレス鋼，る．また， SUS 316L ステンレス鋼および Co Cr Mo 合金

Co Cr Mo 合金ならびにチタン(純チタン)およびチタン合のヤング率は，それぞれ約 180 GPa および 210 GPa(5) であ金が代表的な骨構造機能インプラント用材料として実用されり，骨のそれが(約 10 30 GPa )(6) と比べるとかなり高い．

て来ている．初期のこれらの金属系バイオマテリアルは，力

一方，実用化が最も進んでいるチタンおよび Ti 6Al 4V

学的信頼性が重要視されたと思われ，いずれも高耐食性を示

ELI 合 金 の ヤ ン グ 率 は ， 約 105 110 GPa(6) で あ り ， SUS

す一般構造用からの転用であり，現在でも多用されている．

316L ステンレス鋼および CoCrMo 合金のそれらと比べる

その後，構成元素の生体為害性が議論されるようになり，生とかなり低く，それらと比較して骨のヤング率により近い．

体為害性元素を排除した材料設計がなされるようになった．

このことは，チタンおよびチタン合金をインプラントに用いさらには，ヤング率を中心とした力学的生体適合性が考慮さた方が，骨およびインプラント間の荷重伝達の不均一性(応れるようになって来ている．極めて最近では，インプラント力遮蔽)をより抑制し，かつ骨の応力に応じた改変(骨のリモ移植時の操作性をも考慮した力学的生体適合性材料設計が提デリング)に有利となる．すなわち，ヤング率から見たチタ

案されるようになっている．

ンおよびチタン合金の力学的生体適合性は，SUS 316L ステ

本稿では，特に力学的生体適合性の観点からのインプラン

ンレス鋼および Co Cr Mo 合金の場合に比べて，より優れ

ト構成材料，すなわち金属系バイオマテリアルの変遷と展望

ると言える．このことが，生体為害性の指摘のない構成元素につき記述する．なお，バイオマテリアルの力学的生体適合からなり，骨のヤング率により近いヤング率(低ヤング率)を

東北大学名誉教授，東北大学金属材料研究所客員教授，大阪大学特任教授，名城大学特任教授，名古屋大学未来材料・システム研究所客員教授(〒4688502 名古屋市天白区塩釜 1501)
Transition and Prospect of Biomaterials in Terms of Mechanical Biocompatibility; Mitsuo Niinomi(Emeritus Professor, Tohoku
University, Sendai. Visiting Professor at Institute for Materials Research, Tohoku University, and Specially Appointed Professor at Osaka
University and Meijo University, and Visiting Professor at Institute of Materials and Systems, Nagoya University)
Keywords: metallic biomaterials, mechanical biocompatibility, low Young's modulus, shape memory effect, super elasticity, Young's modulus
selfadjustability
2016年 6 月27日受理[doi:10.2320/materia.56.205]

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan有する生体用チタン合金の開発へと繋がる．

.

生体為害性を考慮した金属系バイオマテリアルの登場

上述した従来の金属系バイオマテリアルは，一般構造用材料からの転用であるため，毒性の指摘のある構成元素を含有している．このことから，毒性の指摘のない構成元素からなる金属系生体材料の設計がなされるようになった．先ずは，代表的な生体用チタン合金である Ti6Al4V ELI(Extra lowinterstitial )合金の構成元素である V の毒性が指摘され(7) ，

図1

V を生体為害性の指摘の無い Fe あるいは Nb で置き換えた( a ＋ b )型合金である Ti 5Al 25Fe 合金(8)(9) および Ti 6Al 
7Nb 合金(10) が開発された(5)．この時から生体用としての金各熱処理を施した Ti 6Al 7Nb 合金および Ti 
6Al 4V ELI 合 金 の S N 曲 線  AC お よ び WQはそれぞれ溶体化後に空冷および水冷処理を施したことを示す．

属材料の開発が開始されたと言えよう．その後， Al のアルツハイマー病との因果関係が報告され(11)，V および Al フリている．また，Ti6Al7Nb 合金においても疲労強度の改善

ー生体用チタン合金の開発へと進展し，やはり( a ＋ b )型合が試みられている(19) ．その場合， 1273 K にて 1 h の溶体

金 で あ る Ti 15Zr 系 お よ び Ti 15Sn 系 合 金 が 開 発 さ れ化・空冷後，813 K にて 4 h の時効処理を施した Ti6Al4V

た(12)．なお，Al の神経毒性の指摘はあるが，アルツハイマ

ELI 合金および 1243 K にて 1 h の溶体化後水冷あるいは空ー病との因果関係は否定されている．その後，上述した力学

冷後，833 K にて 4 h の時効を施した Ti6Al7Nb 合金の疲的生体適合性が考慮されるようになり，骨およびインプラン

労強度が比較されており，溶体化後に空冷を施した場合のトの変形(弾性変形)が等しくなることが骨吸収の抑制や骨のTi 6Al 7Nb 合金の疲労強度が Ti 6Al 4V ELI 合金の疲労良好なリモデリングに有効であるとの考えが取り入れられよ

強度に匹敵することが示されている(図(19))．

うになった．すなわち，通常，金属系バイオマテリアルの弾

なお，生体用( a ＋ b )型チタン合金の開発においては，力性率(ヤング率)は，骨のそれよりも顕著に高いことから，金学的生体適合性で最も重要視されているヤング率に関して着属系バイオマテリアルの低ヤング率化が叫ばれるようになっ目した研究開発はなされていない．

た．それとほぼ同時に，生体為害性では，アレルギーの観点からの合金設計が取り入れられるようになり，アレルギー感
作率の高い構成元素を排除するようになり，特にアレルギー感作率の高い Ni(13)の添加が避けられるようになった．すな.


生体用 b 型チタン合金における力学的生体適合性
低ヤング率合金の開発

わち， Ni フリー金属系生体材料の開発がなされるようにな

生体およびインプラントの両側から見た生体適合性としてった．ステンレス鋼では Ni を N で置き換えた高窒素 Ni フ骨(生体組織)およびインプラントとの力学的適合性(力学的リーオーステナイト系ステンレス鋼(14)が， CoCr Mo 合金

生体適合性)が挙げられる．すなわち，力学的生体適合性では Ni フリー Co Cr Mo 合金(15) の開発がなされた．チタは，骨およびインプラント間の力学的性質が類似であること

ン合金では， TiNi 形状記憶合金の Ni が問題となり Ni フリとされている．その主な因子は，破損や異常を生じないこと

ー形状記憶チタン合金の開発(16)(17)が展開されるようになっと均等な応力伝達であるとされている．力学的生体適合性にている．

関しては，特に後者が重要視されて来ている．上述したが，このことは，骨およびバイオマテリアルのヤング率が類似で

. 生体用(a＋b)型チタン合金における力学的生体適合性あることに通じる．そこで，金属系バイオマテリアルの材料
設計に低弾性率化が取り入れられるようになった．これも上述したが，この観点からは，チタン合金のヤング率が他の主上述した V および Al フリーの Ti15Zr 系合金である Ti

要金属系バイオマテリアルであるステンレス鋼(SUS 316L)

15Zr 4Nb 4Ta 0.2Pd 合金では，生体組織との親和性であや Co Cr Mo 合金の場合に比べて低い点で有利である．チる生物学的生体適合性とともに，力学的生体適合性として重タン合金は，耐食性，比強度および強度・延性バランスにお要な耐久性，すなわち疲労強度も重要視され評価されていいても他の金属系バイオマテリアルの場合と比較して優れてる(18)．その場合，Ti6Al4V 合金との比較において，両合

おり，かつ生体親和性に関しても優れていることから，バイ

金の疲労強度が評価され， Ti 15Zr 4Nb 4Ta 合金およびオマテリアルとしての注目度が高い．周知のように，チタンTi6Al4V 合金の焼鈍材の疲労強度がそれぞれ 730 MPa お

合金は，相構成により a，(a＋b)および b 型に大別される．

よび 685 MPa となり， Ti 15Zr 4Nb 4Ta 合金の疲労強度

a 相および b 相の結晶構造はそれぞれ稠密六方晶(hcp)およが Ti6Al 4V 合金の場合よりも優れていることが報告され

び体心立方晶(bcc)であり，原子の充填率は bcc 構造の方が



特

集

表1

これまでに開発された主な生体用低弾性率 b 型チタン合金．

b 型チタン合金

ASTM 規格ISO 規格JIS 規格Ti13Nb13Zr
Ti12Mo6Zr2Fe(TMZF)
Ti12Mo5Zr5Sn
Ti15MoTi16Nb10Hf(Tiadyne 1610)
Ti15Mo2.8Nb0.2Si
Ti15Mo5Zr3Al
Ti30TaTi45Nb
Ti35Zr10Nb
Ti35Nb7Zr5Ta(TNZT: TiOsteum)Ti29Nb13Ta4.6Zr(TNTZ)
Ti35Nb4SnTi11.5Mo6Zr4.5Sn
Ti50Ta
Ti8Fe8Ta
Ti8Fe8Ta4Zr
Ti35Nb2Ta3Zr
Ti22.5Nb0.7Zr2Ta
Ti23Nb0.7Ta2.0Zr1.2O(Gum Metal)Ti28Nb13Zr0.5Fe(TNZF)
Ti24Nb4Zr7.9Sn(Ti2448)
Ti7.5Mo
Ti12Mo3Nb
Ti12Mo5TaTi12Cr
Ti30Zr7Mo
Ti30Zr3Mo3Cr
Ti5Fe3Nb3Zr

ASTMF F 1713
ASTM F 1813

ASTM F 2066
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

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

ASTM Task Force 4.12.23

ASTM F 1713
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ISO 583214
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JIS T 74016
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低いことから，b 型チタン合金のヤング率が a および(a＋b)
型チタン合金の場合に比べて低くなることが期待される．これらのことから，無毒性・非アレルギー元素を主とした構成の低弾性率 b 型チタン合金が生体用として開発されるようになり，数多くの同合金が提案されており，それらのいくつかは ASTM ， ISO や JIS に既に生体用チタン合金として規格化されている．
概して，低弾性率 b 型生体用チタン合金の構成元素は，
Nb ， Ta ， Mo， Zr 等の高コスト元素を多量に含有していることから，最近では低コスト化のために低コスト元素である
Fe， Mn や Cr を積極的に用いた合金が開発されるようになっている．これまでに開発された主な生体用低弾性率 b 型

図2

主な生体用 a, (a＋ b)および b 型チタン合金のヤ
ング率．

チタン合金を表(20)に示す．
また，代表的な a，(a＋b)および b 型生体用チタン合金のヤング率を図(21)(22)に示す．明らかに b 型生体用チタン合られる．この弾性率の値は，骨のそれ(1030 GPa)にほぼ等

金のヤング率は．a および(a＋b)型生体用チタン合金のそれしい．したがって，生体用低弾性率 b 型チタン合金単結晶

らに比べて低い．生体用低弾性率 b 型チタン合金のヤングによる人工骨の創製も期待できる．

率は，測定方法によりかなり異なるが，b 相単相となる溶体

インプラントのヤング率がより骨のそれに近いことが，骨化( ST )状態でほぼ 60 80 GPa であり， ST に冷間強加工を吸収の抑制および骨の良好なリモデリングに有効であること

施すことでさらに低下させることができ，最も低い場合でが家兎の脛骨に作製した骨折モデルに SUS 316L ステンレ

40 GPa 程度が報告されている(23)．以上は，多結晶の場合のス鋼， Ti 6Al 4V ELI 合金および生体用低弾性率 b 型 Ti 

弾性率についての検討結果であるが，単結晶の弾性率は結晶29Nb 13Ta 4.6Zr 合金( TNTZ )製髄内釘や骨折固定プレー

方位依存性を検討して見ると TNTZ の場合の例を図(24)にトを移植し，骨折の治癒状況および骨のリモデリング状況を示すように〈 100 〉方向で最も低い弾性率である 35 GPa が得評価することで実証されている(25)(26)．

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan例えば，上記 3 種類の金属系バイオマテリアル製骨折固なされている．しかし，上述したように， Ni のアレルギー

定プレートの移植実験の場合でも骨吸収が最も遅延したのが，性が懸念され， Ni フリーの生体用 b 型形状記憶合金が多数

TNTZ 製骨折固定プレートの場合であることが示されてお開発されるようになった．主な Ni フリー生体用 b 型形状記り(26)，TNTZ 製骨折固定プレートの場合にのみ，図(26)に憶合金を表(27)に示す．TiNb 系，TiMo 系，TiTa 系お示すように脛骨の外径拡大が認められ，応力に応じた骨のリ

よび Ti Cr 系合金に分類されよう．なお，これらは，やはモデリングが生じていることがわかっている．したがって，り低弾性率合金となっている．

生体用低弾性率 b 型チタン合金製インプラントでは，インプラントおよび骨間の応力伝達がより均一になり，良好な骨のリモデリングにも有効であることが動物実験の段階であるが示されている．


形状記憶および超弾性機能合金の開発



ヤング率自己調整機能性合金の開発

ここまでは，応力遮蔽を抑制するとされる低弾性率機能に焦点を当てたチタン合金の開発であり，患者側に望まれる点を主に取り入れた生体用チタン合金の開発である．最近では，整形外科医の要望も考慮した生体用チタン合金の開発が形状記憶合金としては， TiNi 合金の生体用としての実用進められている．例えば，脊柱側弯症の手術などでは，狭い化が進められており，特に超弾性特性を生かしたステント，体内空間で脊柱矯正器具のロッドを脊柱形状に合わせて変形

カテーテルのガイドワイヤーや歯科矯正ワイヤーへの適用がさせる作業が必要となる．その場合，ロッドの変形させた形状が保たれなければならないが，ロッドのヤング率が低いと変形前の形状へ戻ろうとする傾向が強くなる．すなわち，変形前の形状への戻り量(スプリングバック)が小さいほど望ましいことになる．スプリングバック量は，引張強さが同じであると仮定すると，ヤング率が高い材料のほうが，低い材料の場合に比べて，より小さいと考えることが出来る(28)．この相反する問題を解決するためには，ロッドの変形部のみが高ヤング率となれば良いと考えられる．すなわち，ロッド変形部のみが高ヤング率で，ロッド全体は低ヤング率とすることを可能とすれば良い．したがって，図(28)に模式的に示すようにロッド変形部で高ヤング率となる第 2 相の析出が誘起されれば良い．チタン合金で変形により誘起される可能マルテンサイト相，a″マルテンサイト
性のある第 2 相は，a′

図3

TNTZ 単結晶の弾性率の結晶方位依存性．

相および v 相であり(29)(31)，これらの相の中で，ヤング率を上昇させるのは v 相である(29)(32) ． a ′マルテンサイト相，

a ″マルテンサイト相および v 相の析出は，母相である b 相の安定度と大きく関係するが，その安定度を制御するのに適した合金元素との組み合わせが重要である．このような点を念頭に置き，上述した変形により v 相が誘起される生体用

b 型チタン合金として TiCr 系合金の開発が進められるに至っている(28)(31)．

表2
合金系

主な Ni フリー形状記憶および超弾性機能チタン
合金．
形状記憶および超弾性機能合金

TiNb 系

図4



TNTZ 製骨折固定プレートを移植した骨折モデ
ル側および移植しない側の移植後48週での中間位および遠位の横断面の CMR 写真(a) 骨折モデル側の横断面，( b ) ( a )の骨折モデル側の骨中の□の部分，すなわち脛骨の外側および内側の分岐部の高倍率 CMR 写真および(c) 非移植側の脛骨．

TiNb, TiNbO, TiNbSn, TiNbAl, Ti22Nb
(0.52.0)O(at), TiNbZr, Ti24Nb
2Zr(at), Ti
NbZrTa, TiNbZrTaO, TiNbTaZrN, TiNb
Mo, Ti22Nb6Ta(at), TiNbAu, TiNbPt, Ti
NbTa, TiNbPb, Ti29Nb13Ta4.6Zr(TNTZ), Ti
24Nb4Zr8Sn(mass)TiMo 系 TiMoGa, TiMoGe, TiMoSn, TiMoAg, Ti
5Mo(25)Ag(mol), Ti5Mo(13)Sn(mol), Ti
ScMoTiTa 系 Ti50Ta(mass), Ti50Ta4Sn(mass), Ti50Ta
10Zr(mass)
TiCr 系 Ti7Cr(1.5, 3.0, 4.5)Al(mass)

特集そこで， Ti Cr 系合金で v 相が変形により最も有効に誘量を TNTZ および Ti 6Al 4V ELI 合金の場合と比較して起され，ヤング率の上昇が大きくなる最適組成を決定するこ図(32) に示す． Ti 12Cr 合金のスプリングバック量は，とが必要となる．図(32) は， Ti ( 10 14 ) Cr 合金の溶体化

TNTZ の場合に比べて，著しく低下し， Ti 6Al 4V ELI 合(ST)状態での透過型電子顕微鏡(TEM)による電子線回折図

金の場合に匹敵するようになる．

形を示す．同図では，非熱的 v 相( Athermal v phase )の存

また，酸素( O )は，熱的 v 相の析出を抑制するので， O在に起因すると考えられる円形状のストリークが認められを有効に利用して，TiCr 系合金の変形後のヤング率の上昇

る．このストリークは， Cr 量が増加するにつれ，弱くなる．すなわち， Cr 量が増加するにつれ， b 相が安定化し，非熱的 v 相の量が減少することがわかる．変形により誘起される v 相をなるべく多く出現させるためには，同相がなるべく少ない方が有利である． v 相に起因するストリークがほぼ観察されなくなる Cr 量は， 12 mass であることがわかる．次いで，これらの合金に変形を模擬して圧下率10 の冷間圧延を施した場合の TEM による電子線回折図

形を図(32)に示す．これらの電子線回折図形には， v 相の回折スポットあるいはストリークが観察され，変形によりv 相が誘起されていることがわかる．この v 相の回折スポットは， Cr 量が 13 mass となると不鮮明となりストリー
ク化している．各合金の溶体化(ST )状態および冷間圧延後

図7

加工後( CR  10 圧下率での圧延後)の Ti ( 10 14)Cr 合金の電子線回折パターン．

図8

TiCr 系合金の加工前後でのヤング率と Cr 含有量との関係．

図9

Ti12Cr 合金(Ti12Cr)，TNTZ および Ti6Al
4V ELI 合金(Ti64 ELI)のスプリングバック量と付加歪との関係．

のヤング率を Cr 量に対して示すと図(32) のようになる．
Cr 量が12 massで変形により最もヤング率が上昇することがわかる．すなわち，最もスプリングバックが小さいと考えられる合金組成は，Ti12Cr 合金であると判断される．
Ti12Cr 合金の変形の戻り量に相当するスプリングバック

図5

脊柱固定器具用ロッドの変形部のみを高弾性率とし，全体を低弾性率に保つための概念図．

図6

加工前( ST 溶体化後)の Ti ( 10 14 ) Cr 合金の電子線回折パターン．

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan量をさらに増大させることが可能である(33)．

.

お わ

り

に

金属系バイオマテリアルでは，チタン合金を中心に，バイオマテリアルおよび生体組織の両側から見た力学的生体適合性として両者のヤング率の類似性が材料設計に積極的に取り入れられるようになり，次いで患者側および外科医側から要求される低弾性率および高弾性率，すなわちインプラント全体が低弾性率で変形部のみが高弾性率となるにヤング率自己調整機能を考慮した材料設計へと進展して来ている．もちろん，広義な力学的生体適合性因子で一般に認識されている力
学的特性の生体組織への適正化を進めるとともに，今後は，さらに生体組織に類似して変化するような高度な力学的生体適合性の付与が求められる．

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★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
1978 年 3 月

名古屋大学大学院工学研究科博士課程
後期満了(工学博士，博士(歯学))1979 年 4 月2005 年 9 月 豊橋技術科学大学教務職員，助手，教授
2005年10月2016年 3 月 東北大学金属材料研究所生体材料学研究部門教授
2008年 4 月2009年11月 東北大学総長特任補佐
2009年11月2013年 3 月 学際科学高等研究センター長
新家光雄
2009年11月2014年 3 月 東北大学金属材料研究所所長
2016年 4 月現在 東北大学名誉教授，東北大学金属材料研究所客員教授，大阪大学特任教授，名城大学特任教授，名古屋大学未来材料
システム研究所客員教授
その間，カーネギー・メロン大学客員助教授，デイトン大学客員教授，米国
国防総省ライトパターソン材料研究所外国人研究員，中国東北大学客員教授，天津大学名誉教授，寧波研究所客員教授，上海理工大学客員教授，中南大学客員教授，東北大学(中国)名誉教授．
専門分野生体材料学，構造機能材料◎チタン合金を主体とする金属系生体材料の設計・製造，生物学的および力
学的生体適合性評価，組織制御による高機能化等，貴金属歯科用合金の設計，製造・加工プロセス等，および航空機用チタン合金の組織制御と力学的機能性評価等に関する研究・開発に従事．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

特集

表面機能の立場からの生体材料の変遷と展望
塙

.

は じ

め

に

.

隆

夫

生体材料の表面機能

金属を医療用デバイスとして使用する際には，その使用す医療用途で金属材料に求められるのは，材料の形態が変化る部位に応じて，硬組織適合性(骨伝導性，骨適合性，骨形

 使用中に大きく変形しないこと，◯
 使用中
しないことで，◯成能，生体活性)，軟組織適合性(軟組織接着性)，血液適合 長期間に渡って固体のまま使用できるに破壊しないこと，◯性(抗血栓性)，抗菌性のような表面機能が要求される(図こと，が要求される．つまり，高い強度，破壊靱性値，疲労)．合金組成の改良によって安全性を向上させることはでき

強度，耐食性などが求められる．金属材料が生体材料としてるが，生体適合性や生体機能性を向上させることには限界が使用されるときは，固体表面が生体組織と接触し，固体状態ある．また，金属材料の製造プロセス，すなわち溶解，鋳で機能を発揮する．この機能には力学的機能も含まれる．固造，鍛造，加工，熱処理による効果も期待できない．これ

体表面と生体組織との界面は明瞭であり，物質輸送を妨げ生は，医療用材料としての金属材料の最大の弱点であり，生体体機能の伝達を阻害するものとなりやすい．そのため，この適合性や生体機能性を付与するためには，表面処理・表面改

界面を，不明瞭な，傾斜的な，物質輸送が可能な，生体機能質を行わねばならない．最近では，表面形態の制御による表を伝達する界面(図)とするために多くの研究が行われてい面機能の獲得も可能になってきた．表面処理・表面改質の最る．つまり，骨形成・骨接合，非骨癒合，軟組織接着，抗血近 10 年の研究の進歩は凄まじく，多方面，多岐に渡る表面

栓性，バイオフィルム非形成などの組織適合性，生体機能性

処理方法が生体材料に適用されてきた．しかし，その多くはを獲得するための研究が行われている．

研究レベルに止まり，実用化例は極めてわずかである．本稿
では，国内の研究を中心にその概要を述べる．

図1

表面機能を実現するための表面処理・表面改質・表面形態制御．

図2

目標とする機能界面のモデル．

東京医科歯科大学 生体材料工学研究所教授(〒1010062 東京都千代田区神田駿河台 23
10)Transition and Prospect of Biomedical and Healthcare Materials from the Viewpoint of Surface Function; Takao Hanawa(Institute of
Biomaterials and Bioengineering, Tokyo Medical and Dental University, Tokyo)
Keywords: biomedical material, healthcare material, medicine, surface treatment, surface morphology, biocompatibility, biofunction
2016年 3 月 3 日受理[doi:10.2320/materia.56.211]

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan




.

表面機能化技術促進のための電着 PEG を介したペプチドの固定化(21)(23)，
抗血栓性を目指した細胞膜類似 MPC ポリマーの電着(24) が材料と生体組織との接合は，体内に埋入された部材(イン研究されている．また，人工臓器への応用を目指して， Ti

プラント)の固定，細菌侵入の防止の点から重要である．人および Ti 合金の医療用高分子であるセグメント化ポリウレ

工股関節のステムとライナーでの骨組織との接合，歯科インタン(SPU)の被覆が研究されている(25)(26)．

プラントのフィクスチャーと骨との結合は，これらによる治

酸化物やリン酸カルシウムなどのセラミックス層や機能性療が成功するかどうかの正否を握っている．また，歯科イン高分子を被覆するために，電気化学的被覆が用いられる．こプラントのアバットメント，創外固定器のスクリューなどにれは金属材料の導電性を利用した手法と言える．下地金属とおける軟組織接着は細菌侵入を防ぐために必要であり，これしての Ti ， Ti 合金， Ni Ti 形状記憶・超弾性合金， Co Crが十分でないとデバイスのゆるみ，感染症を引き起こす．こ合金，ステンレス鋼， Mg 合金， Cu ， Zr 合金に，ハイドロのような材料と生体組織との結合性を増進させるための表面

キシアパタイト(HA)，リン酸八カルシウム(OCP)，ブルッ

処理法が，骨結合を中心に数多く研究され一部は実用化してシャイト( DCPD )，その他のリン酸カルシウム( Ca P )，ダいる．骨との接合においては，材料の表面形態が重要である

イヤモンドライクカーボン( DLC )，酸化チタン( TiO2)といことも明らかになっている．また， Ti 合金が使用されるよったセラミックス， Mg ， Ta といった金属，コラーゲン，

うになってから， Ti 合金と骨との癒合が報告されており，

キトサン，ポリエチレングリコール( PEG )といった機能性

これも表面処理によって解決することが可能である(1)(2)．表高分子を被覆するものである．図に金属材料下地に対する面処理のほとんどの研究が，骨形成・骨接合，つまり硬組織

表面層の電気化学的被覆の例を図示する．これらの組み合わ適合性改善のための研究である．表面処理法は，一般にドラ

せは最終製品の目標とする性質によって変わる． HA 被覆

イプロセスとウェットプロセスとに分類される(図)．最近

は，通常硬組織適合性(骨形成，骨結合)向上のために使用さでは，表面形態の制御もこの範疇に入る．医療応用を目的とれる．一方，Mg 合金の場合には，HA 被覆は，生分解性金

した金属材料の表面処理については他の解説を参照していた属を目指す Mg 合金の分解速度制御のために使用される．

だきたい(3)(4)．ドライプロセスでは，二段階熱酸化法によるDLC 被覆は，摩擦摩耗低減を目的とする．TiO2 被覆は，耐アナターゼ形成(5)，RF マグネトロンスパッタリングによる食性向上と硬組織適合性向上のために使用される．特に多孔Ca P 膜 の 形 成(6) ， CaTiO

膜 の 形 成 (7 ) な ど が 行 わ れ て い

質層は骨結合のために使用される．厚い連結孔からなる多孔る．ウェットプロセスでは，マイクロアーク酸化(MAO)と質 TiO2 層は， MAO によって形成される．生体分子や生体化学処理を組み合わせた Zr(8) および Ti 合金(9) の生体活性

機能分子は生体機能を与えるために固定化される．

3化，水中熱基板法による HA 被覆(10)，化学・水熱複合処理
による TiO2 被覆(11)(12)，スラリーを利用した HA 被覆(13)，.

骨形成機能促進技術の変遷

化学溶液析出による Mg 合金の HA 被覆(14) などが行われている．また，カソード分極によって，金属極表面をアルカリ

人工股関節のステムや歯科インプラントで，金属と骨が自化する技術が提案されている(15) ．機能分子の固定化では，

然に化学的に接合することは期待できない．つまり，典型的抗菌性，抗血栓性を得るための PEG の電着(16)(20)，骨形成

な人工材料である金属と生体組織である骨は，そのままの状

図3



医療応用を目指した金属材料の表面処理・改質技術．グレーハッチのものは最近10年間に活発に研究された
方法．

特

集

図5

骨形成機能獲得を目的とした表面処理・改質技
術の進化．

これらの中では，第二世代の MAO，ブラスト＋酸処理による形態制御が盛んでこれらは実用化している．HA のような
CaP を被覆する第三世代の研究も多く行われてきたが，最近 10 年の研究では，第四世代の骨形成に関与する生体分子を材料表面に固定化する研究が盛んに行われている．一方，先進型第二世代とも言うべき技術が研究されだした．一つは，TiO2 などのナノチューブを表面に形成させるもので，ナノサイズの効果で細胞接着，骨形成などが促進されるとしてい
図4

電気化学的機能表面層形成処理．

る(27)(28)．骨質は骨密度のみならず配向性が重要であるという結果(29) から，形態を制御する場合に骨の配向性を考慮したデザインの表面の創製が始まった(30) ．このような複雑な形状は三次元積層造形(AM)によってのみ形成が可能であり，態で化学的に接着することはない．このように接着が期待でAM の新たな可能性を示した研究と言える．さらに，フェきない物質同士を接合するには，化学的に接着が起こる表面

ムト秒レーザーによる微細周期構造表面作製技術が確立さを創る必要があるものの，体液が存在する人体内で化学的接れ，これを細胞配向，細胞機能化に応用する研究が始まって着を起こさせることは難しい．そのため，生体材料では，表いる(31)(32)．

面の形態を制御し，粗な凹凸や多孔表面を形成する方法が多用されている．たとえば，粗な凹凸に骨組織がイン.

生体機能評価技術

グロースして侵入すれば，材料表面と骨との機械的嵌合(アンカリング投錨効果)によって接合される．硬組織適合性

材料上の骨形成と骨接合は，安定な細胞接着の後に骨組織向上のための表面処理法は，化学的接着か機械的嵌合のいずが形成される必要がある．そのため，間接的には細胞によるれか，あるいは両方の効果を狙ったものである．しかし，化

材料表面の骨形成能の評価が行われる(33)が，その観察技術

学的接着を狙った表面処理を行った場合でも，その粗さは変は著しい進歩を遂げた．細胞接着においては，細胞核，細胞化することが多く，機械的嵌合の効果が含まれていることは骨格につながるアクチン，細胞接着タンパクであるインテグ

否定できない．

リンなどを蛍光観察することで，接着細胞形態，細胞進展，

歯科インプラント体の表面を例に取れば，硬組織適合性向

材料への接着などを直接的に評価できるようになった．ま上のための表面処理は，図に示すように，研究レベルでは

た，材料上で骨分化誘導した骨芽細胞の分化状況の観察，骨次のような変遷を経ている．

芽細胞が骨細胞に分化するまでに段階的に発現する種々のタ

第一世代切削表面

ンパク質の検出と評価，リアルタイム RTPCR による遺伝

第二世代溝 加 工 ， ブ ラ ス ト ， 酸 処 理 ， 陽 極 酸 化子発現解析などが手軽に行えるようになり，従来の ALP 活(MAO)，レーザーアブレージョン

性の評価，アリザリン・レッド S などでの染色による石灰第三世代化学処理，HA(リン酸カルシウム)被覆

化量の評価と合わせて，詳細な解析が可能になった．

第四世代生 体 機 能 分 子 ( コ ラ ー ゲ ン ， 骨 形 成 因 子 ，一方，動物実験では，実際の組織形成を評価できる(34) ．

BMP，ペプチド，ゼラチン)固定化

骨標識剤(カルセイン，テトラサイクリンなど蛍光カルシウ

第五世代幹細胞，組織被覆

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan

ムキレート剤)を術後投与して周術期にラベリングを行うと

骨形成時期が決定できるが，近年，マイクロフォーカス X
線 CT の普及によって，数 mm オーダーの空間分解能での 3次元構造の可視化が実現し，これまでその構造が微小である
ため観察が難しかった歯や骨などの 3 次元構造の非破壊的観察が可能となり，骨形成の研究に用いられるようになった．動物実験では，非脱灰標本あるは脱灰標本を作製して，材料表面の骨形成や骨の接触を観察する．またこの観察により，破骨細胞，骨芽細胞，タンパク質，核酸などを評価できる．材料と骨組織の結合力を直接的に評価するために，動物実験で埋入材料を周囲の組織ごと摘出し，引抜，押出し，ねじり試験による評価が行われる．これらの試験法は，ASTM に規格化されている(35)．以前は骨形成量のみが評価されてきたが，最近では骨配向性・骨質についてのも注目されるようになった(36)．

.

お わ

り

に

金属材料に良好な生体適合性や生体機能性が付与できれば，その利用範囲は大きく広がる．上述のように，近年の表面機能化技術とその評価技術の進歩によって，材料表面の機能化は 10 年前には予測できなった進歩を遂げている．これ
らの生体適合化や生体機能化は，金属材料の再生医療の足場
材料への応用を可能にするものである．さらに将来，組織形
成や組織との融合のみならず，例えば組織形成をモニターでき，バイオフィルム形成・感染を検出できるセンシング機能を備えたシステム，さらに骨融解を修復するシステムなどが可能となろう．

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(13) N. Ohtsu, Y. Nakamura and S. Semboshi: Surf. Coat. Technol.,206(2012), 26162621.
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Tsutsumi, Y. Tsutsumi, H. Doi, N. Nomura and T. Hanawa:
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H. Doi, N. Nomura, K. Noda and T. Hanawa: Acta. Biomater.,
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10 Standard Specification and Test Methods for
Metallic Bone Staples, American Society for Testing andMaterials, Philadelphia, PA, USA, (2010).
(36) 石本卓也，中野貴由バイオマテリアル，33(2015), 35
37.
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
1981年 北海道大学工学部金属工学科卒業
1993年 徳島大学歯学部助教授
1998 年 物質・材料研究機構生体材料研究センター
副センター長
2004年 7 月現職
専門分野生体材料学◎医療用金属材料および表面処理法の研究に従事．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
塙

隆夫

特

集

表面処理の立場からの生体・福祉材料の
変遷と展望
成

.

は じ

め

島

尚

之

に

金属系バイオマテリアルは通常，その優位点である力学的適合性(1)を発現するために微細組織の精緻な制御がなされている．表面処理はバルクとしての金属系バイオマテリアルの力学的適合性を損なうことなく新機能の付与や機能の高度化を図ることができる．例えば，Ti および Ti 合金は光学顕微鏡レベルで骨と直接密着する特性，オッセオインテグレーシ
ョン(2)(3)，を有しているが，骨組織に固定されるためには比較的長期間が必要とされ，加えて，骨の状態によっては必ずしも十分な密着が得られない場合がある．そこで，さらなる骨との迅速かつ強固な密着を目的とした表面処理が施されることとなる．
本稿では，金属系バイオマテリアルの表面処理に関する現図1

金属系バイオマテリアルに適用されている表面処理プロセス．

状と課題を整理してみたい．図に金属系バイオマテリアルに適用されている表面処理プロセスをまとめて示す(4)．表面.

表面処理の歴史(8)

処理は表面形態制御と表面組成・相制御を目的としている．
表面形態制御に関しては，3D プリンティングやレーザー処1960 年代後半には既に生体活性セラミックスをインプラ

理などの周辺技術の進歩も含めて本特集で言及されているこ

ント表面にコーティングするという概念は存在していた(9)．

とから(5)(6)，本稿では割愛し，主に表面組成・相制御，特に1970 年にはリン酸カルシウムそのものの人工骨としての応セラミックスを用いたコーティングについて述べる．なお，用(10)や CoCr 合金へのコーティング材としての応用(8)が検日本における 2000 年以降のバイオマテリアル研究の進展に討された． Ti インプラントへのリン酸カルシウムコーティ

関しては金属系ばかりでなく，セラミックス系および高分子

ングも， 1970年代から研究が行われてきており， 1981 年に系バイオマテリアル，組織再生，計算機シミュレーションま米国 FDA の認証を受け，1980年代半ばにはプラズマスプレ

でを含めて成書にまとめられている(7)．金属系バイオマテリ

ー法によるハイドロキシアパタイト(HAp, Ca10(PO4)6(OH)2)

アルの表面処理に関しても多くの記述があるので参考にして

コーティングの歯科分野(11)および整形外科分野(12)での臨床頂きたい．

応用が行われた．プラズマスプレー法はインプラント表面への HAp コーティングに関して長い歴史と多くの使用実績がある一方で，高温プロセスであるため，コーティングの膜質

東北大学大学院工学研究科材料システム工学専攻教授(〒980
8579 仙台市青葉区荒巻字青葉 6602)
Transition and Prospect of Biomedical and Healthcare Materials from the Viewpoint of Surface Treatment; Takayuki Narushima (Department of Materials Processing, Graduate School of Engineering, Tohoku University, Sendai)
Keywords: biomaterials, ceramics, calcium phosphate, TiO2, coating, bone compatibility, antibacterial activity
2016年 9 月 5 日受理[doi:10.2320/materia.56.215]

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan

や薄膜域での膜厚制御性に関する課題も指摘されていのプロセスであり，いずれの方法も実用化されている(15)(16)．

る(13)．このような背景のもと，図 1 に示した気相成長法，セラミックスと高分子を複合化した表面処理に関してもゾルゲル法，擬似体液浸漬法，電気化学的方法，コールドス

Ti インプラントの骨適合性向上の観点から研究が行われてプレー法などのプロセスがリン酸カルシウムを始めとしたセいる．リン酸カルシウム/コラーゲン複合コーティングが，ラミックスコーティングに検討されることとなった．

電 解 析 出(17) ， ス ピ ン コ ー テ ィ ン グ(18) ， 擬 似 体 液 浸 漬
法(19)，エレクトロスプレーデポジション(ESD)法(20)により

.

各金属系バイオマテリアルにおける表面処理

行われている．薬剤徐放システムへの適用を目的として，リン酸カルシウム表面にタンパク質を吸着させた複合コーティ

表に金属系バイオマテリアルのコーティングに用いられるセラミックスとその目的をまとめて示す(14) ．以下，各金属系バイオマテリアルへの適用が検討されているセラミックCoCr 合金

CoCr合金では人工関節摺動部への応用を念頭に，Co28

スコーティングを説明する．


ングも検討されている(21)(22)．

mass Cr6 massMo 合金への硬質皮膜コーティングがな

Ti および Ti 合金

されている．溶融塩処理による TaC コーティング(23)，炭化Ti および Ti 合金は歯科用，整形外科用インプラントとし水素ガスを用いたプラズマイオン注入・成膜法による DLCて多用されているという背景から表面処理に関しても多くの(diamondlike carbon)コーティング(24)，スパッタリング法

研究がなされている(7)．特に，人工歯根や人工股関節ステム

による Cr ドープグラファイトコーティング(25)，反応スパッ部を対象に， Ti インプラントの骨適合性向上を目的としたタを用いた TiN コーティングが報告(26)されている．骨適合ものが多い．陽極酸化による TiO2 形成や NaOH 処理・加熱性向上を目的としたバイオガラスコーティングに関する報によるチタン酸ナトリウム形成は Ti および Ti 合金に特有

告(27)もある．


表1

金属系バイオマテリアルのコーティングに用いられるセラミックス．

金属系バイオマテリアル

Ti およびTi 合金

セラミックス(コーティング材料)

NiTi

Mg およびMg 合金

ステンレス鋼

的

リン酸カルシウム(＋コラーゲン，＋タンパク質，＋Ag)
バイオガラス
骨適合性向上・
チタン酸ナトリウム
抗菌性
非晶質リン酸カルシウム(ACP)
チタン酸カルシウム(CaTiO3)
チタンフッ化物TiO2(＋Ag)

TiN
DLC

CoCr 合金

目

NiTi

NiTi は超弾性・形状記憶特性を有することから，ステン

トや歯科矯正用アーチワイヤーに加えてカテーテルやガイド
ワイヤーなどの医療器具としても用いられている． Ni イオ
ン 溶 出 抑 制 お よ び 耐 摩 耗 性 向 上 の 観 点 か ら TiN(28)(30) や
DLC コーティング(31)が主に気相成長法により試みられている．化成処理により NiTi 中の Ni を酸化物とすることで安定化を図る試みも報告されている(32)．ゾルゲル法で TiO2 皮膜を作製することによる血液適合性(抗血栓性)の向上(33) ，
電気化学的手法で HAp / TiO2 複合皮膜を作製することによる骨適合性と耐食性向上(34)の報告もある．


Mg および Mg 合金

耐摩耗性向上Mg は低密度で，低ヤング率と生体吸収性を有するため，

TaC
DLC
TiN
Cr ドープグラファイト

耐摩耗性向上リン酸カルシウム
バイオガラス

骨適合性向上

TiN
DLC
NiO

耐食性・
耐摩耗性向上TiO2

血液適合性向上

リン酸カルシウム
バイオガラス

溶解性制御・
骨適合性向上Al2O3
部分安定化ジルコニア

耐食性向上

リン酸カルシウム(＋Ag)
バイオガラスTiO2(＋Ag)

骨適合性向上・抗菌性

人工骨，ステントやクリップ等への応用が検討されている．
従来の Mg 合金の生体吸収速度は大きい．そこで，合金設計や表面処理による生体吸収性の制御が試みられている．骨折固定材や人工骨への応用のための溶解性制御と骨適合性向上を目的としたリン酸カルシウム(35)(38) やバイオガラス(39)のコーティングが報告されている．プロセスも水熱法(35) ，電 気 化 学 析 出 法(36)(37) ， ス パ ッ タ リ ン グ 法(38) ， ゾ ル ゲ ル
法(39) などが利用されている．ウェットプロセスによるリン酸カルシウムコーティングでは基板から溶出した Mg がリ
ン酸カルシウムの性状(相や形態)に影響を及ぼすと考えられ
る．生体吸収性 Mg および Mg 合金に対するコーティングについては総説もある(40)(41)．
ステンレス鋼オーステナイト系 SUS316L の耐食性向上を目的としたセ特集ラミックスコーティングとしては，プラズマスプレー法による Al2O3，部分安定化ジルコニアコーティングが報告されてい る(42) ． MgO で安定 化したジ ルコニ ア(膜 厚 150 mm )がHanks 溶液中において高い耐食性を示したと報告されている．SUS316L や SUS304 の骨形成能向上を目的としたもの
で は ， 電 気 化 学 析 出 法 に よ る HAp(43) お よ び バ イ オ ガ ラス(44)コーティングに関する研究が行われている．ほかには，
SUS316L の抗菌性発現を目指して，Cu, Zn, Ag を固溶した

フッ化ハイドロキシアパタイト( Ca10( PO4)6(OH)2－xFx, 0＜x＜2)コーティング(45)や RF マグネトロンスパッタリング法

による Ag 固溶 TiO2 コーティング(46)が報告されている．

.

表面処理層の反応

図2

Ag を添加した b TCP および HAp における抗菌性発現．(オンラインカラー)

図3

二段階熱酸化法により作製した TiO2 皮膜の可視光照射下におけるステアリン酸塗布膜の分解に伴う水接触角の変化．

コーティングに用いられるセラミックスには生体中における反応に伴う機能発現が期待される．本節では抗菌性に関連した生体吸収性コーティング膜による Ag イオン放出およびTiO2 皮膜の光触媒活性に伴う有機物分解に関して述べる．

インプラントに関係した手術部位感染(SSI, surgical site infection)は少なくとも数から30発生しており，再置換手術ではさらに増大するとの報告もあり(47)(48)，インプラント
への抗菌性付与が要求されている．

b 型リン酸三カルシウム( b TCP, Ca3P2O8 )や非晶質リン酸カルシウムは生体吸収性を有している．これらの生体吸収性セラミックスコーティング膜への Ag 添加はインプラント
への抗菌性付与の有力な手法である．Ag は多くの細菌に対して抗菌性を発現する，耐性菌を生じにくい，生体に対して低毒性といった特徴があり， Cu や Zn よりも低濃度で抗菌性を発現すると報告されている(49) ．図に生体吸収性を有する b TCP と生体吸収性の低い HAp に Ag を添加した際の抗菌性発現の模式図を示す． b TCP の Ag 溶解度(金属Ag 共存下)が HAp よりも大きいこともあり(50) ， b TCP のて，インプラントの再活性化などの観点から有用である．

溶解に伴い b TCP 中に固溶した Ag のイオンとしての連続

TiO2 への Au 固溶(55)および金属 Au ナノ粒子の添加(56)は可的な放出が可能となる．すなわち， b TCP においては長期

視光応答化に有効であることが知られている．図に二段階的な抗菌性の発現が期待できる．スパッタリング法により作熱酸化法(57) により工業用純( CP, commercially pure ) Ti お

製した ACP 膜も生体吸収性を有しているので b TCP 同様

よび Ti4 atAu 合金表面に作製された TiO2 皮膜の可視光に 抗 菌 性 発 現 を 目 的 と し た Ag 担 体 と す る こ と が で き照射下におけるステアリン酸塗布膜の分解試験の結果を示る(51)．スパッタリング法はターゲット組成の自由度が高く，す(58) ．横軸 0 ks が可視光照射の開始時間であり， TiO2 皮

ACP 膜は非晶質相であるため Ag 含有量の自由度が高い．

膜を有する試料ではステアリン酸分解に伴う水接触角の低下

抗菌性の発現には Ti 表面に MAO ( micro arc oxidation )法が観察されている． TiO2 皮膜への C および Au 固溶に伴うにより作製したポーラス TiO2 コーティング膜への金属 Ag

TiO2 のバンドギャップエネルギーの低下および TiO2 皮膜

坦持(52)と同様に，Ag を添加した生体吸収性セラミックスコ

中に存在する 10 nm 未満の粒径を有する金属 Au ナノ粒子

ーティングは金属製インプラントへの有力な抗菌性付与方法

による表面プラズモン共鳴が TiO2 皮膜の可視光応答化に寄である．生体吸収性セラミックスの利用は Ag 含有量や Ag与したものと考えられる．

放出速度の制御性に優れている．
TiO2 は光触媒活性に伴う光誘起超親水性および光誘起有機物分解を示すことは良く知られている(53)．TiO

.

課 題 と 展 望

2 の光触媒活性による表面の超親水性化は骨適合性を向上させる(54) ．

セラミックスは生体中における化学的安定性や耐摩耗性に

光誘起有機物分解は抗菌性に関連する．インプラントへの可加えて，骨適合性，血液適合性，生体吸収性など幅広い生体

視光応答型光触媒活性の付与は術中での抗菌性発現に加え機能を有する．したがって，優れた機械的特性を有する金属

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan

が必要になる．もちろん，実測することも可能ではあるが，極薄膜領域でのバンドギャップ測定は容易ではない．計算材
料科学を駆使することで TiO2 中の欠陥構造や物性を予測できれば有効である．

文

図4

表面処理における検討因子．

系バイオマテリアルに対するコーティング材料として検討され続けるものと思われる．加えて，セラミックス同様に多様な生体機能を付加することが可能な高分子や生体分子とセラミックスの複合材料コーティングは精緻なバイオマテリアル
表面創成に不可欠の技術と考えられる．これは金属
無機有機ハイブリッド材料ということになる(59) ．その高度化・システム化のためには化学結合に端を発する各素材の特性を認識しつつ融合することが必要であろう．もちろん各素材を専門とする材料関係研究者間の認識の違いを埋めることも求められる．加えて，バイオマテリアルが生体を対象としていることを考えれば材料関係研究者と細胞や生化学を専門とする研究者間の相互理解も重要であり，学協会の果たすべき役割は大きいと感じる．
図に金属系バイオマテリアルの表面処理における検討因子を示す．表面処理層には硬組織適合性，軟組織適合性，抗菌性，耐摩耗性，耐食性に加えてタンパク質や細菌・細胞などの吸着や接着の制御が求められることもある．これらの特性は表面改質層の相・組成・配向性や三次元形状により支配される．加えて，表面処理層と基材である金属系バイオマテ
リアル間には高い密着力や耐久性が要求される．したがって，改質層自体の力学特性や厚さに加えて，表面改質層/基材界面特性に関連する基材の表面形状・物性・反応性なども考慮する必要がある．表面処理層と基板である金属との界面強度やその時間依存性は実用の観点から不可欠の情報であり，生体以外での工学分野での知見の利用や生体中での適用を念頭においた評価方法の確立が求められている(60)．
その他，基礎的知見として表面処理層と細胞，タンパク質，イオン，水分子との相互作用の理解も必要と思われる．
Ti 上の表面処理層では，水接触角が抗菌性(61)や骨適合性(62)と関連することが示されている．これらの理解のためには生体環境における表面の反応や吸着・溶出と表面処理層のミク
ロレベルでの構造・組成や物理的・化学的状態との関係解明が必要であり，種々の雰囲気中における微小・微量領域分析
技術や計算・シミュレーションといった周辺技術の有効活用が不可欠と思われる．例えば， TiO2 中の光触媒活性を利用した抗菌性や超親水性発現の議論ではバンドギャップの評価献( 1 ) M. Niinomi: J. Mech. Behav. Biomed. Mater., 1(2008), 3042.
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ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
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(61) M. Gasik, L. Van Mellaert, D. Pierron, A. Braem, D. Hofmans,
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(62) M. Zuldesmi, A. Waki, K. Kuroda and M. Okido: Mater. Sci.
Eng. C, 49(2015), 430435.
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
1987 年

成島尚之

東北大学大学院工学研究科金属材料工学専
攻博士課程前期 2 年の課程 修了
1987年 東北大学工学部金属工学科・助手
1994年 東北大学工学部金属工学科・助教授
2004年 東北大学先進医工学研究機構・教授
2007年 4 月より現職
専門分野医用材料工学◎金属系およびセラミックス系バイオマテリアルの研究に従事．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★



生体組織再生の立場からの
生体・福祉材料の変遷と展望
中

野

貴

由

内科・外科領域，歯科領域などを中心に様々な用途で用いら

.

は じ

め

に

れるようになっている(4)．同時に，生体用高分子材料やリン酸カルシウム系を主とした生体用セラミックス材料が縫合

生体組織は，その多くが軽微な欠損であれば自己修復する

糸，人工血管，人工弁，眼内レンズ，骨補填材などとして，が，欠損が広範囲にわたる場合や疾患等により組織変性が進

その適用範囲を広げている．こうした生体材料の特長を併せ行した場合には，治療によって組織修復・再生を行う必要が持つハイブリットによる医療用デバイスとしては，人工関節ある．生体組織の再生は生体材料や関連する医療デバイスにが挙げられる．現在の人工関節の多くは Charnley 式 THAより行われるが，近年は再生医療の台頭によって組織再生の(人工股関節置換術 Total Hip Arthroplasty )のコンセプト

考え方や適用する生体材料への考え方は大きく変化していを原型にしている(5)．Charnley式人工股関節は，骨頭を Co

る．とりわけ 1990 年代以降の組織再生の変遷や新技術の進Cr Mo 合金などの耐摩耗性の高い生体用金属材料や Al2O3

歩は著しい(1)．こうした中，生体用金属材料は高い力学的信系のセラミックス，ソケットは低摩耗性の超高分子量ポリエ

頼性から，主として生体内荷重支持部分を中心に生体材料全チレンなどの生体用高分子材料，そして荷重支持機能を発揮

体の 70 を超えて利活用されている(2)．本稿では近年の組し，生体親和性を必要とするステム部は Ti 系の生体用金属

織再生の考え方の遷移とともに生体用金属材料が多く適用さ材料で構成され，それぞれの原子結合種の異なる生体材料をれる硬組織再生・修復過程を中心に生体組織再生研究・手技

組み合わせた医療用デバイスとして進化し続けている(6)．

の変遷と将来展望について解説する．

組織再生に対する生体材料の考え方を大きく変化させたのは， 1993 年の R. Langer らによる“ Tissue Engineering (生.

生体組織再生の歴史と変遷

体組織工学)”の提案である(7)． ``Tissue Engineering'' は生
物学と工学の融合によって生体組織を再生させる手段として生体組織の創傷治療は各組織においてその歴史は異なり，

 足場材料， (幹)細胞，
機
定義され，必須要素として，

初期は自然治癒に依存していたものから積極的治療を行うよ能性タンパク質など，が挙げられた．生体材料を用いて生体

うになるまで時代とともに変遷してきた． 50 万年前ごろに組織そのものを創製する始まりである．さらに，胚性幹細胞

生息していたとされるマチカネワニにも自然骨折治癒痕が認(ES 細胞)(8)の利用による細胞分化を利用した生体組織の再められ，数万年前の人骨にも骨折治癒の痕跡が残されてい生は，受精卵を用いることから倫理上の問題点を指摘されつる(3)．生体用金属材料としての積極的な利用は，石器時代，

つも，幹細胞から生体組織を直接創製する手段として注目さ青銅器時代，鉄器時代を通じて，人類が金属材料を手に入れれた．一方で， 2006 年に山中伸弥らは，マウスを用いて 4たことから，その外固定としての古くからの生体適用は十分遺伝子( Oct3 / 4, Sox2, Klf4, c Myc )を用いることで，胚をに予想される．しかし感染の防止に留意しつつ，鉄，銅，銀

壊すことなく様々な細胞や組織へと分化可能な分化万能性をなどを主成分にした金属材料による骨折治療は， 19 世紀に持つ iPS 細胞(人工多能性幹細胞induced pluripotent stem

おいて始まっている(4)．その後，生体用金属材料は合金種がcells)を作製することに成功し，細胞を用いた組織再生への広がり，現在では表に示すように，整形外科領域，循環器

大きな一歩を踏み出した(9)．引き続き，ヒト体細胞を用いた

大阪大学大学院工学研究科マテリアル生産科学専攻教授(〒5650871 吹田市山田丘 2
1)Transition and Prospect of Biomedical and Healthcare Materials from the Viewpoint of Tissue Regeneration; Takayoshi Nakano(Division of Materials & Manufacturing Science, Graduate School of Engineering, Osaka University, Suita)
Keywords: metallic biomaterials, tissue engineering, iPS (induced pluripotent stem) cell, bone regeneration, bone quality, additive
manufacturing (AM), artificial joint, anisotropy, hierarchical structure, elastic modulus
2016年 9 月28日受理[doi:10.2320/materia.56.220]



特

集

iPS 細胞の創製にも成功し(10) ， 2014 年には失明の原因の一

.

材料工学的視点からの生体骨組織再生

つ で あ る 加 齢 黄 斑 変 性 に 対 す る iPS 細 胞 か ら の 網 膜 再 生が，日本発の臨床研究として高橋政代らによって開始された．

生体用金属材料は力学的信頼性が高く，強度延性バラン

こうした近年の組織再生の進展は，一見すると材料を用いスが極めて良好で，靭性，耐摩耗性，耐疲労特性などにも優た組織構築から，細胞を用いた組織構築へと基軸が変わりつれ，弾性率の制御や導電性，磁性を利用することも可能であつあるように錯覚される．しかしながら，iPS 細胞を用いたる．したがって，骨組織再生材料として不可欠であり，その特定細胞への分化制御や組織構築には，生体組織や臓器の 3ための研究開発が多く進められている(14)(15)．本節では，特次元化構築を誘導するための足場材料の存在が不可欠であに骨組織再生に注目し，骨再生用生体材料の開発のために理る(11)．さらに生体環境内での液体流動や荷重負荷などの細解すべき骨再生過程と材料工学的な観点から見た骨微細構造

胞や生体組織周囲のニッチな環境を整備する必要があの再生について解説する．

る(12)．例えば，生体骨は力学環境に応じたコラーゲン/アパ

骨組織は皮膚とともに再生が比較的容易な生体組織と信じタイトの部位に応じた 3 次元性の配向組織を有する(13)．すられている．しかしながら，実際には見かけの骨再建と機能

なわち生体用金属材料が主として利用される力学環境下にお回復とは必ずしも一致せず，骨折治癒過程は複雑である．

いては，細胞だけでは正常な組織再生を必ずしも達成でき 炎症期，
 修復期，
 再造成期に大骨折の治癒過程は，ず，金属材料をはじめとする生体材料の開発と細胞に基づくきく分類される(16) ．炎症期は骨膜や骨髄の損傷とともに，組織制御とを両輪とする生体組織再生手法が不可欠となる．

骨折間隙は血腫によって占有され，骨折端付近でのオステオ
サイト( OCY : Osteocyte )の死滅などによる骨壊死が生じる．引き続き炎症反応が発生し，血腫の除去，肉芽組織の形成へと進むとともに，壊死骨が破骨細胞によって除去される(図(a))．修復期は軟仮骨期と硬仮骨期に分類され，軟仮

表1

医療用デバイスとして用いられる金属材料とその用途．文献(4)より改変引用．

骨期では血腫への細胞浸潤とともに毛細血管が侵入し，血腫が除去されることで肉芽組織へと置換される．硬仮骨期では肉芽組織のコラーゲン線維にミネラルの沈着が見られ，幼弱

金属材料の種類ステンレス鋼

主な用途状骨へと置換され，骨折による変形が徐々に元の形状へと矯【循環器外科・内科】血管内ステント，ガイドワ
イヤー，脳動脈瘤クリップ

正されると同時に，骨髄腔が形成される(図 1( c ))．最終的【歯科】インレー，クラウン，クラスプ，ブリッジ，
義歯床，矯正用ワイヤー，磁性アタッチメント

Ti およびTi 基合金な骨組織が形成される(図 1( b))．再造形期では幼若骨が層【整形外科】脊椎固定器具，脊椎スペーサー，骨折固定材，人工関節には骨癒合が生じ，骨折の治癒は完了へと向かう(図 1(d))．
こうした骨再建過程は，BMPs, TGFb, FGF, IGF, PDGF

【一般外科】手術器具，注射針，カテーテル

等の機能性タンパク質の放出をともなう骨芽細胞の分化や活【整形外科】脊椎固定器具，脊椎スペーサー，骨折固定材，人工関節性とともに進行し(17)(18)，骨のマクロ形状変化とナノオーダ【循環器外科・内科】人工心臓，心臓ペースメー
カー，人工弁，脳動脈瘤クリップ【歯科】インレー，クラウン，クラスプ，ブリッジ，
義歯床，フィクスチャー，矯正用ワイヤー

ーでの微細構造変化が同時進行することを特徴とする．さらに，ミクロな構造変化を材料工学的な観点から分離して理解するためには，“骨質”変化を捉える必要がある．

【一般外科】手術器具【整形外科】骨折固定材，人工関節

Co 基合金【循環器外科・内科】血管内ステント，脳動脈瘤
クリップ【歯科】インレー，クラウン，クラスプ，ブリッジ，
義歯床，矯正用ワイヤー【一般外科】カテーテル【循環器外科・内科】血管内ステント

NiTi 合金

【歯科】矯正用ワイヤー【一般外科】カテーテルTa

Au およびAu 基合金Ag 基合金【整形外科】人工関節，骨充填材【循環器外科・内科】血管内ステント【歯科】充填材，インレー，クラウン，クラスプ，
ブリッジ，義歯床，矯正用ワイヤー，ろう材【一般外科】カテーテル【歯科】充填材，インレー，クラウン，クラスプ，
ブリッジ，義歯床，ろう材

Pt およびPt 基合金【循環器外科・内科】電極，血管塞栓用ワイヤー

Mg 合金【整形外科】骨折固定材(生分解性)【一般外科】カテーテル

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan

図1

骨折時の骨再建過程を示す模式図(( a )→( d ))．
炎症期，修復期，再造成期を経て治癒に向かうが，その間仮骨の形成により骨の断面形状(構造パラメータ)は複雑に変化する(16)．



“骨質”とは， NIH により提唱された概念であり，“骨密あり，応力感受細胞であるオステオサイト( OCY )による度”以外の骨強度を支配する因子を意味している(19)．
“骨質”

mechanosensing 機構の 1 つとして理解される．荷重負荷にの有力因子としては，材質パラメータとしての骨基質コラーより生じたひずみ勾配にともなう骨細管内での流体流動は，

ゲンクロスリンク(20)や骨基質の配向性(コラーゲン線維とア細胞表面のインテグリンの動きを介して検出される( fluid 

パタイト c 軸の配向性)(21)などがある．実際，図に示すよflow theory )(26)(27) ．この fluid flow 理論は，もう 1 つの骨

うに，骨再生時の配向性は骨密度にかなり遅れて進行し，骨機能適応様態としてのアパタイト/コラーゲンの配向性変化

再生過程においては骨密度と骨基質の配向性の 2 要因の重を考えた場合にも成立する．負荷増大により骨基質のひずみ回帰式でほとんどの部分が説明可能となる(22) ．それぞれの(骨細管内での流体流動)が定常状態を維持するためのそれよ因子の寄与を示す標準回帰係数は，骨密度に比べ，骨長手にり大きくなれば，主ひずみ方向への優先配向度を上昇させヤ沿った配向性で大きい．材質パラメータとしては，最大応力

ング率を上昇させる．結果としてひずみは負荷前の定常状態のみならず，ヤング率，靭性でも骨基質の異方性の寄与が骨に戻り，骨は適応的変化を終える(図)(28)．

密度より高く，とりわけ靭性においては，その寄与が著しい．このことは，配向性が単なる微細構造の異方性を決定付ける組織学的因子ではなく，力学機能をも強く支配する主要.

金属系バイオマテリアルを用いた骨組織代替と組織再生

な骨質因子であることを示唆している．すなわち，骨再建において，単なる骨の量的充填を図るだけでは不十分であり，材質パラメータであり，骨質パラメータの一つとして考え

アパタイト配向性に代表される部位に応じた骨基質の異方性られる骨基質の異方性を考慮することは力学機能発揮の観点の再生を促す必要性を示している(23)(25) ．一方で，骨組織からも不可欠である(22) ．骨機能代替として成功している例

再生時において応力感受は基質産生の最も重要なトリガーでは，骨インプラントの低弾性化である(29)(31) ．通常の構造
材料が高強度高延性バランスを追求した結果，必然的に高弾性化がおこる．一方で骨は前節でも示したようにコラーゲ
ンとアパタイトからなる複合材料であることから，しなやかさと高強度を併せ持つ(32)．結果として，一軸配向性を示す
長管骨皮質部の骨長手方向でさえも，その弾性率は 10～ 30
GPa 程度とステンレス鋼 SUS316L の約 160 GPa ， Co Cr 
Mo 合金の約 200 GPa ， Ti 6Al 4V 合金の 110 GPa と比較して極めて低い．生体骨とインプラントが並列に埋入される場合には，生体骨への正常な応力伝達が妨げられるため，骨溶解(33)や骨質劣化(低配向化)(34)を誘導する．その原因である応力遮蔽の解消は，生体材料の材質特性の低弾性化や多孔体化(35)をはじめとする構造制御により達成され，骨伝導能が高まる(36)．本特集号において新家が詳細を解説している
こ と か ら 参 照 い た だ き た い(37) ． 新 家 ら の 開 発 し た b 型
図2

図3



骨欠損部の再生過程における形態的修復と骨密度，骨長手に沿ったアパタイト配向性の回復プ
ロセス．文献(22)より改変引用．

TNTZ 合金は，単結晶を用いた研究において弾性率は異方性を示し，特定方向への低弾性化を発揮すると同時に，塑性
変形挙動は不安定 bcc に由来して極めて低異方性である特

オステオサイト(OCY : Osteocyte)を介した，ひずみ場に対するアパタイト/コラーゲン優先配向性による機能
適応．異方的ひずみ場が負荷，もしくは変化した場合，配向性の調整によってヤング率を変化させ，骨基質でのひずみを定常状態(三次元方向性まで考慮すればほぼ等方性)に戻す．BApアパタイト，Colコラーゲ
ン．文献(28)より改変引用．

特集

長を示すことも解明されている38)．
こうした優れた特性を活かして b 型 Ti 合金インプラントが必要となる．つまり，これまでの金属系材料とは異なる機能を発揮させることが急務である．
あくまでも私見ではあるが，以下のような事例が挙げられそのものを単結晶化し，低弾性率方位を積極的に利用する試
みもなされている．単結晶体は，材料そのものの基本特性のる(48)．

本質を理解できるとともに，例えば応力遮蔽を抑制するため

のインプラントを価電子数(e/a)に基づき設計することも可能となる(39)(40)．

生体用金属材料の合金設計・開発・機能予測．


生体の関節摺動面には低摩擦係数で耐摩耗性の極めて高い
生体材料が必要とされる．現状は Co Cr Mo 合金に代表さ金属腐食として本来は避けられるような溶解性金属材料の研究開発．



などによる特性向上が図られている．さらに近年の CoCr
Mo 合金単結晶を用いた研究により， g 相中に存在する層状

溶解性金属元素微量成分の情報伝達物質としての役割の解明と利用．



れる金属材料とセラミックスの開発が進められている．CoCr Mo 合金では，析出(41) ，窒素添加(42) ，双晶界面の利用(バイオ)マテリアルズインフォマティックスを活用した

金属準安定相，不安定相，非平衡相などの利用による生体適合性材料の研究開発．



生物成分に直接的に働きかける金属の材質・形状の多次の e 相の役割が耐摩耗性や異常な高強度強度化の本質である元での研究開発．生体組織/金属系バイオマテリアルのことが解明された(43)．

表界面反応の活用．

細胞の足場材料として Mg, Ca, Zn などを情報伝達物質と

して捉え骨組織を再建するための溶解性金属の研究も世界的

生体機能誘導のための材料開発．生体模倣材料の開発やに 盛 ん に な っ て い る(44) ． 日 本 に お い て も Mg Ca 系 合金(45)(46) ，ならびに( Mg, Ca )基金属間化合物(47) の研究が進

異方性制御，階層構造の付与．


められている．

多臓器間の相互作用を配慮した生体用金属材料の研究開
発．




.

生体機能の原理原則の解明とそのメカニズムに基づく，生体用金属材料の生体組織再生を中心とした将来展望

in situ 生体計測技術と IoT 活用による生体挙動のモニタリングと可視化技術，医療現場での情報活用技術の研
究開発．



AI 技術，ロボット技術の導入と金属系バイオマテリア

生体用金属材料は，生体組織や細胞，タンパク質，核酸，

ルをリンクした生体機能代替材料・医療デバイスの研究

細菌などの生物成分と触れて用いられる材料である．そこで開発(欠損生体組織の金属系材料でのロボット化・生体

今後の生体用金属材料は，生体組織や細胞をはじめとする生組織学とロボティクスの融合)．

物成分に対して，能動的に金属系材料が作用し，機能発現を一例として，生体用金属材料の観点から，金属 AM(Addi-

促し，通常の金属系材料で求められる以外の生物学的機能

tive Manufacturing )の活用(49) は，金属材料学と関連しつつ(情報伝達，増殖，分化など)を誘導することを可能とするよも，生体材料ならではの特長を発揮できる分野であるといえうな発想の転換が必要である(48) ．さらにこうした生体用金

る．図には，粉末床溶融結合法( powder bed fusion )によ

属材料の開発に対し，情報学や計算機予測・設計，さらにはり金属積層造形品を作製するプロセスを模式的に示す．本手

生体から機能を in situ で取り出し活用するための研究開発

法は， 3 次元 CAD データを基に， 2 次元スライスデータを

図4

Additive Manufacturing(AM)法の一種である粉末床溶融法によるカスタム人工股関節の造形プロセス．

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan作成し，その造形部のみに選択的に電子ビームやレーザビー
ムのような熱源を照射し，数層分の材料粉末を選択的に溶
融/凝固させることで所望の造形スライスを得る．この繰り返しで，3 次元造形品を創製する方法である．AM 技術は，
現状 CAD データに基づき， 3 次元造形体としての最終製品をネットシェープでカスタム製造できることに注目が集まっ 形状のカスタムのみならず，ている．しかし，実際には，
 IoT 技機能性と関係の深い材質を制御可能であること，

術や情報の蓄積を通じたマスカスタマイゼーション技術と併せて，様々な機能をカスタム化し，個人個人のテーラーメイ
ド医療に対応することをも可能とする技術である．
今後の生体用金属材料の発展は，金属が生体組織の機能を能動的に発現させ，金属元素・材料の生体組織への働きかけの常識を本質から覆すような金属系生体材料学を構築することに他ならない．

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manufacturingsolutionsfor improved implants.
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
1992年 大阪大学大学院工学研究科修士課程修了
2008 年 大阪大学大学院工学研究科マテリアル生産科学専攻・教授
専門分野生体材料学，結晶塑性学◎｢異方性の材料科学」の学理構築のために，骨をはじめとする生体組織，生体用金属材料やセラミッ
クス材料，耐熱性金属間化合物の研究開発に従事．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
中野貴由

特

集

生体適合性から見たインプラント材料の
変遷と展望
山

本

玲

子

ったのだが，その選択は材料の機械的特性に加え，生体適合.

人体における金属材料の適用と変遷(1)(2)性(材料が埋入部位周辺の組織に許容されること)に基づいている．材料の生体適合性は患者もしくは動物体内への埋入に

人体における不具合の修復に金属材料を用いた治療は古くより評価された．

から行われてきた．紀元前のギリシャにおいて，既に骨折部

第二次世界大戦後は，軍事用高機能材料が在庫品としての固定に金のワイヤが使用されていたようである．記録が明(``off the shelf'')汎用可能になり，多くの外科医により医用

確に残されている例としては， 1562 年の金の板を用いた口デバイス化が図られた．当時は政府による医療および患者の蓋破裂修復がある． 17 世紀には金の他に鉄・青銅ワイヤに

人権保護に関する規制はほとんどなく，外科医の自由な発想

よる裂傷縫合が試みられ， 18 世紀には鉄・青銅に加え銀ワにより様々な医用デバイスが設計された．人工関節や歯科用イヤによる骨折修復が試みられている． 19 世紀に入ると，インプラント，人工血管，心臓ペースメーカーなど，現在も金・銀・鉛・白金試験片を犬に埋植して生体適合性を調べた使用されているデバイスの初期型がこの時代に開発された例

例があり，特に白金が優れていたと報告されている． 19 世

も多い．骨折固定材や人工関節への純チタンの適用も 1950

紀後半には骨折の治療にニッケルメッキ鋼製ボーンプレート～ 60 年代に進められた．その結果，ステンレス鋼やバイタとネジが初めて適用され，固定力が向上した． 20 世紀初

リウムより劣る機械的特性が問題になり，航空機材料として頭，異種金属の接触腐食による組織反応の惹起が指摘される

開発された Ti6Al4V 合金が転用された．

と，ボーンプレートに適した材料の模索が始まった．犬へのこのように，初期医用デバイスは，工業用材料の中からよ埋植による生体適合性評価では，純鉄や炭素鋼は腐食が激し

り機械的特性・耐食性に優れたものを探索し，適用すること

く近接部位の骨吸収を引き起こすこと，銅・マグネシウム・で改善されてきた．しかし，さらなる改良のためには工業用

アルミニウム合金・亜鉛・ニッケルは周辺組織の変色を招く

材料の転用では限界があり，医療用として新たな金属材料のこと，金・銀・鉛・純アルミニウムは周辺組織に問題を起こ

設計・開発が行われるようになった．

さないものの機械的特性に劣ること，ステライト( Co Cr 
Mo 合金)は生体適合性に問題がなく機械的特性にも優れる

.

生体適合性とその評価法の変遷

ことが明らかになった．その後，302ステンレス鋼の適用を経て，1940年代後半に316ステンレス鋼がボーンプレート・医用材料が工業用材料と決定的に異なるのは，生体組織とネジに適用されると，その優れた機械的特性・耐食性・生体接触して使用されるため，生体適合性が求められる，という適合性により，長期間安全な体内使用が可能になった．さら点である．先述したように，インプラント材料の第一世代がに，歯科鋳造合金として使用されていたバイタリウム( Co 

定まった頃には，生体適合性は埋入部位周辺の組織が材料を30 Cr 5  Mo )は優れた耐食性・耐久性を有することが判許容できるか否かを意味しており，動物体内(軟組織，骨周明し，整形外科分野でも使用されるようになった．

辺)への埋入試験により生体適合性が調べられた．現在におこのようにしていわばインプラント材料の第一世代が定まいても，材料や化学物質の安全性評価の一部は，動物を用い国立研究開発法人物質・材料研究機構 機能性材料研究拠点・上席研究員(〒3050044 つくば市並木 11)
Transition and Provisional Trends in Implant Materials and Their Biocompatibility; Akiko Yamamoto(Research Center for Functional
Materials, National Institute for Materials Science, Tsukuba)
Keywords: metallic biomaterials, biocompatibility, cytotoxicity, in vitro evaluation, interfacial compatibility, cellmaterial adhesion
2016年 7 月 7 日受理[doi:10.2320/materia.56.225]

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan

た試験により調べられている．しかし， 19 世紀後半に英国るフィブロネクチンをあらかじめ材料表面に吸着させておくで実験動物に関する法律が制定されて以降，多くの国で動物と細胞接着性が向上し，材料―細胞間の接着力が増加するこ

実験についての様々な規制・法律が定められ，動物虐待の防とが知られている．材料―細胞間接着の詳細は成書(9)(10) に止や医学実験における動物の代替を進める団体が設立された．

 材料表面譲るが，以下のような一連の結合で構成される．

1970 年代の動物愛護運動の高まりと共に，すべての動物実

 細胞外マトリックへの細胞外マトリックスの物理的吸着，

験において 3R の原則(replacement/代替，reduction/縮小，

細スと細胞膜タンパク質(インテグリン)間の特異的結合，

refinement/苦痛の減少)の適用が求められ，医用材料開発に

胞膜タンパク質と接着斑会合タンパク質(細胞膜タンパク質

おける生体適合性評価にも代替法開発・導入が進められた．

に結合し，材料―細胞間接着を担う接着斑を形成する分子)最初に取り入れられたのが，培養細胞を用いた細胞毒性試験

 接着斑会合タンパク質と細胞骨格間の特異的結合，そしてである． ISO10993 シリーズでは，医用材料の生物学的評価

間の特異的結合である．すなわち，材料―細胞間接着は，鎖の一つとして，細胞毒性試験の実施が求められている．既のように幾つかのタンパク質が細胞膜を貫通して繋がることに，材料をウサギ筋肉中に埋植した際の炎症反応の強さと細により形成される．この状態で細胞に剪断力(接着界面に対胞毒性の強さが一致することが確認されており(3)，新たに開して平行な力)が加わると，材料―細胞間接着は一番弱い部

発された材料について，最もシンプルかつ低コストで実施可材
分で切れ，細胞は剥離する．この一番弱い結合は，実は能な生体適合性指標として幅広く用いられている．

料表面―細胞外マトリックス間ではなく，細胞内部(また

化学物質・材料の安全性試験に培養細胞を用いた試験が取は)であることが確認されている(10)．したがって，材料―り入れられると，種々の純金属を用いた細胞毒性試験が実施

生体組織間結合力の向上には，材料表面への細胞接着分子のされ(4)，耐食性の低い材料の毒性が高いことが示された．す吸着を促進すると同時に，材料―細胞間接着界面に結合を破

なわち，材料の生体適合性は生体内における材料からの溶断させる力が加わらないようにすることが重要である．生体

出・分解物(金属イオンや摩耗粉など)の種類と量に依存する組織と医用材料では，その力学特性が大きく異なる．この状ことが示唆された．そこで，医用材料の開発指針とするため

態で材料―生体組織間接着部に力が加わると，それぞれの変に，種々の金属イオンの細胞毒性が調べられた(5)．また，人形量が異なるため接着界面に結合破断力が発生する．したが工股関節における骨融解には，股関節摺動部から発生する摩って，材料―生体組織間結合の維持には，材料表面への生体耗粉の関与が懸念され，その影響を調べるために金属粉末(6)分子吸着挙動の制御に加えて材料と生体組織間の力学特性一や酸化物微粒子(7)を用いた細胞毒性試験も実施された．

致が重要である．つまり，材料の界面適合性は，材料の力学

人工関節や骨折固定材などの医用デバイス使用時は，材料適合性をも意味するのである．

の分解物が体内に排出されることを避けられない．その量

このように医用材料の耐食性・耐久性の向上により，材料が，生体にとって許容できる範囲であれば問題はないが，許には組織結合性・界面適合性が求められるようになり，生体容範囲を超えると医用材料としては使用できない．しかし，適合性という概念が埋入周辺組織の許容性から，それとの相

実際に体内で医用デバイスから生じる溶出イオンや摩耗粉の関が認められている培養細胞の細胞死や増殖阻害へ，さらに量を推定することは困難である．そこで， 1980 ～ 1990 年代

材料表面への生体分子吸着挙動制御と生体組織との力学特性にはイオン溶出や摩耗粉が生じてもその影響が小さいよう一致まで拡張された．それに伴い 1990年代後半から 2000 年に，構成金属元素の毒性を考慮した材料開発が進められた．

代にかけて，骨組織と同等のヤング率を持つ合金開発が盛ん

たとえば， Ti6Al 4V には比較的細胞毒性の高い V が含まに進められた(8)．医用デバイス使用時に外部から加わる荷重れているため，新規合金として V を含まない合金が提案さに対し骨組織と材料間で変形量が異なると，固定部でのマイれた(8)．また，摩耗粉が炎症反応を招き，細胞増殖に悪影響

クロモーションや負荷荷重低減による骨吸収が生じるからでを及ぼすことが判明したため，耐食性に加え耐摩耗性に優れある．一方，血管ステントでは，心拍により常に拍動負荷がた材料開発も始まった．

加わるため，血管壁とステント間の力学的特性の違いからス

生体内における安定性(耐食性・耐摩耗性)が十分に高い材

テントによる機械的刺激が血管壁に加わり，結果として内膜料が使用されるようになると，材料に求められる特性が追加

肥厚や再狭窄を生じると考えられている．それゆえ，狭窄部

された．例えば，歯科用インプラントでは，骨組織と接触す

位拡張により生じた血管壁損傷が修復された後には生体内でる部分には骨組織適合性が，上部の軟組織と接触する部分で溶解・消失する，生体吸収性ステントの開発が求められるよは，雑菌の侵入を避けるため密着性，すなわち組織との強固うになった．生体吸収性材料の適用は，血管ステントに限らな結合性(界面適合性)が求められた．組織結合性は歯科用イ

ず再生医療における足場材料(スキャホールド)についても進ンプラントに限らず，皮膚を貫通するカテーテル等にも必要められている．実用化された生体吸収性材料の代表的なものである．

としてポリ L 乳酸(PLLA)・ポリカプロラクタム(PCL)等の材料表面への細胞接着は，血清中に含まれる細胞接着分子

高分子材料，リン酸三カルシウム( TCP )等のセラミックス(細胞外マトリックス)を介して生じ，材料表面への生体分子材料がある．今世紀に入り，金属材料についてもマグネシウの吸着挙動が，その後の細胞接着ならびに応答反応(移動・ムや鉄，亜鉛などの耐食性の低い金属の合金を生体吸収性材

増殖・分化等)を制御している(9)．例えば細胞接着分子であ料として用いる試みが進められ，ごく最近， Mg4 Y 3



特

集

RE ( RE は希土類元素混合物を意味する)合金製ステント，

状況は，再生した組織の評価法・安全性確認方法が定まって

外反母趾用中空スクリューが上市された．

いないためと言えよう．
このような培養細胞についての詳細な評価指標の導入は，

.

生体機能性評価から再生組織評価への変遷

材料の評価指標として適切であろうか．ここで，前章にて述
べた医用デバイス開発当初に生体適合性評価に求められた視細胞培養技術ならびに分子・細胞生物学的手法の発展に伴点―人体に埋入しても材料が許容されるか否かの確認―い，生体適合性の評価指標として細胞毒性(細胞死・増殖阻に立ち戻ってみたい．現状の生体適合性評価法は，この原点

害)だけでなく，様々なエンドポイントが用いられるようにとも言える要望に応えられてはいない． ISO10993シリーズなった．例えば，試料上で培養した骨芽細胞のアルカリフォ

にて示された生物学的試験の多くは相対評価であり，絶対評

スファターゼ( ALP )活性やコラーゲン生成量，あるいはこ価ではない．他の材料と比較してどちらがよいかを示すこと

れらの遺伝子( mRNA )発現量などである．これらは，従来はできるが，特定のデバイスとして使用可能かどうかを示すの生体適合性，すなわち埋入した際の炎症反応の強さを調べことはできない．例えば直接接触法による細胞毒性試験におるのではなく，隣接組織である骨の形成能を推測しようとすいて，細胞が死滅してしまう材料は使用できないと思われるるものであり，いわば材料の機能性評価にあたる．しかしなかもしれない．しかし，ISO109935 で定められた試験条件

がら，これらの指標が，実際の埋入時の骨形成能と相関しては生体内における実際の使用条件を反映していないため，デいるか否かは確認されていない．実験動物の骨組織でこれらバイスの使用環境によっては問題なく材料を使用できる場合の酵素活性やタンパク質産生が認められているため，骨形成がある(Mg 合金が一例である)．つまり，現在の試験法や評においては，これらの活性・産生が必要であり，そのために価指標の多くは未だ発展途上であり，医用材料の生体適合は関連遺伝子の発現が必須である，との仮定に基づいてい性・機能性評価として活用するためには， in vivo との相関る．実際，このような細胞レベルでの材料の機能性評価は，性や試験条件，有用な指標の絞りこみなど，必要条件を見定

医用デバイスの生物学的評価ガイドラインには加えられては

めるプロセスが必須である．

いない．

.

しかし，この(細胞内の状態を詳細に調べる)流れは留まる

今 後 の 展 望

どころか，拡張し続けている．その理由の一つとして，分子・細胞生物学分野における各種マーカー分子の解明と，そ人工関節等医用デバイスの埋入成績が向上するに従い，長の測定系の汎用化があげられるだろう．近年の DNA マイク

期埋入後の感染症発生という問題が生じてきた．異物が長期

ロアレイの発展により，容易に細胞内の遺伝子発現状況を広間体内に存在すると，患者の免疫力が低下した際にその表面範囲で調べることが可能になり，材料上で培養された細胞にが感染叢となり，感染症を発生するリスクは避けられない．

ついても調べられている(11) ．しかし，現状では試料上で培その対応として，抗菌剤固定化とその有効性の確認が細菌を養した細胞の遺伝子発現プロファイルと患者体内における埋用いた抗菌性試験により検討されるようになった．感染症対入周辺組織の発現プロファイルの相関は確認されておらず，策が難しいのは，製造時の抗菌性評価だけでなく長期埋入後

どのような情報が重要で，また遺伝子発現を調べるタイミンの有効性確認が必要なことである．しかし，生体内環境下でグをどう設定すればよいのかも判明していない．

の長期暴露やその後の材料特性の評価手法はほとんど検討さ細胞培養において，様々な評価指標が導入されるもう一つれていない．

の理由に，再生医療や組織工学の出現があげられるであろ先述したように，材料上で培養された細胞・組織についてう．これまでも，人工材料では代替できない組織・機能につの評価法は色々検討されているが，その際材料側に生じる変いて移植医療が実施されてきたが，ドナー不足や拒絶反応抑化を調べる研究は少ない． 316L ステンレス鋼(12) や Mg 合制という課題がある．そこで自身の細胞，あるいは免疫型の金(13) について，培養細胞が耐食性に及ぼす影響が調べられ一致した(拒絶反応のおきない)細胞を用い，患者の体内もしているのみである．新たに開発された材料が求められる仕様

くは組織工学的手法により体外で構築した組織を移植する治を満たしているかどうかを確認するためには，材料の特性評

療法が注目を集めている．その際，ある程度の大きさを有す

価は必須であり，材料開発とその特性評価はいわば車の両輪る組織を構築するためには足場となる材料が必要であり，生である．材料開発を推進するためには，評価法開発の促進も体適合性に優れた医用材料の適用が進められている．特に体必要である．医用材料の場合，究極的には人体内に埋入後外で特定の組織を構築する場合には，構築された組織の機10 年， 20 年を経てどうなるかを評価しなければならない．

能・特性評価が求められており，移植後も正常に機能し続け動物実験においてもこれだけ長期間の埋入実施は困難であることを確認する必要がある．そのため，材料上で培養した

り，材料特性評価という観点からは大きな挑戦であると言え細胞について実に様々な指標が調べられており，「正常な」る．

組織であることを実証する試みが続けられている．同時に，材料の生体適合性評価手法は，医用材料だけでなく，他の足場材料上で細胞の機能発現を誘導するための最適培養条件

分野へも応用されている．金属イオンの細胞毒性データは，の探索研究が数多く報告されている．このような混沌とした環境中の金属元素のリスク推定にも利用されている．個々のま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan金属イオンの細胞毒性データをもとに，複数種の金属イオン

文が共存する場合の複合毒性をコンピュータシミュレーション

献により推測する手法の開発が試みられている．また，ナノ材
料の工業利用に際して，肺毒性の機序解明に培養細胞を用いた試験が実施されている．
本稿で振り返ったように，医用デバイスの開発は人体が持つ許容性を見極め，それを活用する形で進められてきた．色々な評価手法や指標が利用可能になっても，結局は人体による許容，生体組織との協奏(ハーモナイゼーション)なしに十分機能するデバイスの実用化は考えられないであろう．勿論
既存デバイスの改良・改善は重要ではあるが，医療の現場にはまだ解決法の見出されていない，様々な課題が残されている．現在よりも再生医療研究が発展し，実用化が進んだとしても，それだけで医療における全ての問題が解決できる訳ではない．人体組織の許容性を最大限に引き出し利用するというコンセプトのもと，再生医療とは違ったアプローチで新たな医用デバイスを研究・開発する試み，それを支援する仕組みが必要ではないか．
およそ 9000 年前に北アメリカに生存していたケネウィッ
ク人(``Kennewick Man'')は，骨盤に槍の先端(石)が埋まった状態で発見された(2)．もちろん，槍の先端は意図的に埋入( 1 ) 奥野 攻角田方衛他編，金属系バイオマテリアルの基礎と応用，アイピーシー，(2000), 1118.
( 2 ) B. D. Ratner: Biomaterials Science (B. D. Ratner et al. ed., 2nded.), Elsevier, San Diego, (2004), 1019.
( 3 ) 中村晃忠他(厚生省薬務局医療機器開発課監修) 医療用具
および医用ザイルの基礎的な生物学的試験のガイドライン
1995解説，薬事日報社，(1996), 2546.
( 4 ) H. Kawahara,, A. Yamagami and M. Nakamura: Int. Dent. J.,
18(1968), 443467.
( 5 ) A. Yamamoto, R. Honma and M. Sumita: J. Biomed. Mater.
Res., 39(1998), 331340.
( 6 ) T. Rae: J. Bone Joint Surg., 57
B(1975), 444450.
( 7 ) A. Yamamoto, R. Honma, M. Sumita and T. Hanawa: J.
Biomed. Mater. Res., 68A(2004), 244256.
( 8 ) 成島尚之バイオマテリアル―生体材料，23(2005), 86
95.
( 9 ) 林 正男新細胞接着分子の世界．東京，羊土社，( 2001 ) ,12114.
(10) 山本玲子バイオマテリアル―生体材料，23(2005), 3742.
(11) 花方信孝バイオマテリアル―生体材料， 28 ( 2010 ) , 116 
123.
(12) S. Hiromoto and T. Hanawa: J of Royal Soc. Interface, 3(2006), 495
505.
(13) M. Bobby Kannan, A. Yamamoto and H. Khakbaz: Colloids
and Surfaces B: Biointerfaces, 126(2015), 603606.
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

された訳ではないが，ケネウィック人はこの大怪我の後も生存していたことが判明しており，人類の体が異物を許容していたことが確認できる，おそらく最古の例である．我々の体の内部の仕組みは，この時代から大きく変わってはいない．
医用デバイス・材料と我々の体・組織の関係も，本質は変わっていないと思うが，いかがだろうか．
山本玲子

1993年 国際基督教大学大学院理学研究科修士課程修了
同年 科学技術庁金属材料技術研究所 入所
1998年 博士(工学)取得(京都大学)
2001年 独立行政法人 物質・材料研究機構(改組)2015年 国立研究開発法人 物質・材料研究機構(移行) 現在に至る
専門分野生体材料学◎材料―生体組織間相互作用の in vitro 評価を中心に研究中．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★



特

集

第 5 分科(社会基盤材料)

社会基盤材料のこれまでと将来展望
中 村 貴 宏1和田
武 森 戸 春 彦
)佐 藤 和 久 赤瀬善太郎2
)「水素は究極のクリーンエネルギーですが，水素で走る自会基盤用鋼材が関わる出来事について紹介され大変興味深い

動車を作ろうとするとダンプカーの何倍もの大きさになると内容となっている．また，「軽金属プロセス全般に関わる思います．」これは，今から30年ほど前に著者が小学校の社

3D プリンターの変遷と展望」では，近年広がりを見せてい会の時間に担任教師から聞いた言葉である．今となってはそる 3D プリンターを用いた軽金属造形について，歴史的な背の真意を測ることは難しいが恐らく当時の技術では水素の取景から実加工例，さらには将来展望について紹介されており扱いが難しかったことに基づいた発言ではなかったかと推り，読者にとっても現在の自身の研究との関連について考え察される．今日巷には燃料電池を搭載した水素自動車が走る機会を与えるものとなっている．分析からは「透過電子顕り，各地に水素ステーションが設置されている．上記のよう微鏡法の最新技術動向と将来展望」について，いずれも材料に一昔前には夢物語と考えられていたことが現実になりつつ分析手法の強力なツールである「電子分光」と「超高分解能あるのはひとえに科学技術の進歩によるものであり，その中イメージング」のご寄稿を頂いた．「電子分光」では，電子で材料開発ならびにプロセス開発の果たしてきた役割は大きエネルギー損失分光法(EELS)を用いたナノ領域の化学結合

い．金属学会第 5 分科が扱う「社会基盤材料」は基礎，応状態分析の基礎と，内殻準位励起 EELS 測定によって元素用，分析の 3 グループから構成されており，まさに上述し選択的な磁性情報を抽出できる電子磁気円二色性( EMCD )たような社会からの要求に応えると同時に潜在的なシーズをに関する最新の研究が紹介されている．さらに「超高分解能発掘する役割をも担っている．金属学会創立 80 周年を迎えイメージング」では透過電子顕微鏡法における飛躍的な分解「材料科学の変遷と展望」について本誌において特集を組む

能向上のきっかけとなった球面収差補正装置の原理と進展ににあたり，第 5 分科からは上記 3 グループから各分野でごついて，さらには収差補正 STEM とエネルギー分散型 X 線

活躍の第一線の先生方に御執筆頂いた．基礎に関する記事は分光法や電子エネルギー損失分光法を用いた実例が示されて以下の 2 編である．まず「金属材料の水素脆化と今日の課

おり，読者が圧倒されるような内容となっている．いずれの題」では水素利用社会システム実現のための課題として挙げ

記事も，これまでの歴史を振り返りつつ現在における材料科

られる高強度鋼の水素脆化について，歴史的な背景と今日の学の課題と今後の展望について述べられており，現在におい取り組みについて紹介されており，広く一般にも理解しやすて夢物語と考えられていることを現実のものとする科学技術

い内容にまとめられている．また「第一原理計算に基づく材の可能性を示すものとなっている．お忙しい中ご執筆頂いた料研究の新展開」では，第一原理計算から得られる結果が，皆様方にお礼申し上げるとともに，本企画が読者の皆様にと実験結果と比肩するに至るまで発展していることが示され，って社会基盤材料ならびに関連する材料学の課題と展望を考

同手法の材料探索のツールとしての大いなる可能性についてえる一助となることを期待する．

述べられている．応用からは普遍的な材料である鉄鋼材料と最近のトピックである三次元プリンターを用いた金属造形についての 2 編である．「社会基盤を支える鉄鋼材料の進化」
では社会基盤用鋼材の製造プロセスの進歩と鋼材開発例，大入熱溶接熱影響部の組織制御技術に加え，過去 10 年間の社

中村貴宏

和田

武

森戸春彦

佐藤和久

赤瀬善太郎

東北大学多元物質科学研究所1)准教授 2)講師(〒980
8577 仙台市青葉区片平 211)東北大学金属材料研究所准教授(〒980
8577 仙台市青葉区片平 211)
大阪大学超高圧電子顕微鏡センター准教授(〒5670047 茨木市美穂ヶ丘 71)
Past and Future Perspectives of Social Infrastructure Materials; Takahiro Nakamura, Takeshi Wada, Haruhiko Morito, Kazuhisa
Sato, Zentaro Akase(,Tohoku University, Sendai. Osaka University, Ibaraki)
Keywords: social infrastructure materials, hydrogen energy, abinitio calculation, steel, 3D printing, transmission electron microscopy
2016年12月21日受理[doi:10.2320/materia.56.229]

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan金属材料の水素脆化と今日の課題
秋

山

英

二

は，先にあげた高圧ガス環境や腐食により金属材料に侵入し

.

は じ

め

に

た水素による水素脆化とは機構的に異なるものであるが，ここでは広義に解釈して取り上げる．

今日，水素利用社会システム利用を目指した取り組みが進アンモニア合成のための高温高圧装置の製作にはカール・められている． 2016 (平成 28 )年 3 月に公表された経済産業

ボッシュ(Carl Bosch)が携わったが，ボッシュは軟鉄を内張

省の「水素・燃料電池戦略ロードマップ改訂版」によれば(1)，りにし，圧力を維持できる有孔鋼鉄で外側を覆った「二重管」

燃料電池自動車の普及目標が「累計で， 2020 年までに 4 万を用いてその問題を解決し，彼の勤める BASF 社は 1913 年

台程度， 2025年までに 20万台程度， 2030年までに 80万台程にアンモニア工業化に成功している(9)．ボッシュはその後も度」，水素ステーションの整備目標が「 2020 年度までに 160

メタノール合成や石炭液化に代表される成果をあげて 1931

箇所程度，2025年度までに320箇所程度」とされている．少

年にノーベル化学賞を受賞した．ボッシュはシャルロッテン

数ながら既に水素燃料電池車は商用となって公道を走り，水ブルク工科大学(現ベルリン工科大学)で冶金学と機械工学

素ステーションの数も増え，普及へのステップが踏み出されを学び，ライプツィヒ大学で有機化学を学んだ後に BASFている．

社に入社するという経歴を持つが(10) ，材料科学の観点から

水素利用の普及が進められるためにはコストを抑えられる材料の選択肢が増えることが必要であるが，高圧ガス環境中問題を克服し， 20 世紀初頭の化学工業の発展の礎を築いた
先駆者の一人となったと言っても良いだろう．

で用いられる材料に取り込まれた水素は水素脆化による損傷

材料科学が発展した現在は当時とは状況が大きく異なるもを引き起こすことが懸念され，水素燃料電池車や水素ステーのの，これまで身近には使われていない高圧水素ガスの利用

ションに用いられる材料の信頼性を確保することが大きな課を普及させるためには，使用材料の信頼性の確保が不可欠で題となっている．水素ガス中では乖離吸着した吸着水素を経あるのに変わりはない．これまで高圧水素ガス利用には水素て水素が金属に取り込まれるが，腐食による金属の溶解に伴脆化が起こりにくい鋼種の使用に制限することで安全が確保

う還元反応によって生成する吸着水素もまた水素源となる．

されていたが，水素エネルギーの普及に向けてはコスト削減

高強度鋼の水素脆化感受性は強度にともなって増加することが必須であり，使える材料を把握することが不可欠である．

が知られており，今日様々な金属材料の高強度化が進む中

また，高圧水素環境のみならず，高強度化が進む中で高強度

で，高強度ボルトやワイヤ，あるいは自動車等に用いられる鋼の水素脆化特性の理解とその克服は重要課題である．本稿

ばねや高張力鋼板などでもまた水素脆化は大きな課題である．

では，水素が関わる金属材料の損傷と材料科学の変遷を概観

水素が関与する金属材料の損傷の古い例では， 1911 年にすることにする．

始動したハーバー・ボッシュ法によるアンモニア合成の試験
工場での反応管はじめ各種部品の破損がある(2)(4)．この合.

様々な材料での水素脆化

成は，水素と窒素のガスに触媒添加し高温高圧で行われるが，試験工場では 200 atm ， 500 600 °C の条件で鉄鋼中の炭鋼の水素脆化としては，先の水素侵食に続いて古くから見素がメタンとなって脱炭素し反応管が脆くなったことが原因出されたものは第一次世界大戦時に見出された白点状欠陥と考えられており，水素侵食と呼ばれる(5)(8) ．水素侵食( 白 点 )(5)(11)(12) が あ げ ら れ る ． 鉄 鋼 用 語 ( 熱 処 理 ) ( JIS G

東北大学金属材料研究所教授(〒9808577 仙台市青葉区片平 2
11)
Hydrogen Embrittlement of Metallic Materials and Recent Subjects; Eiji Akiyama(Institute for Materials Research, Tohoku University,
Sendai)
Keywords: hydrogen, hydrogen energy, hydrogen embrittlement, hydrogen induced cracking, delayed fracture
2016年 9 月12日受理[doi:10.2320/materia.56.230]



特

集

0201 ) 1210 によれば，白点は，「鋼材の破面に現れる白色の成や表面のふくれを生じる(21)(22)など，材料により様々なタ

光沢をもったはん点．備考 1.

以前には，低合金鋼の大形

イプの現象があるが，次には鋼の水素脆化として代表的なも

熱間加工後の冷却過のとして，高力ボルトなどの水素脆化を取り上げる．これ

程で生じる変態応力，水素の析出に伴う内部応力などで誘発

は，応力を負荷した後に時間を経てから破壊が生じるためされる内部き裂と考えられる．」とされている．「以前には」に，「遅れ破壊」とも呼ばれる．高強度鋼が遅れ破壊に敏感とあるように，現在では見られなくなったためかあまり研究であることは， 1950年代の航空機に始まり， 1960 年代の橋対象になっていないようであるが，この発生が水素に影響さ

梁・建築構造物， 1980 年代の自動車などでの破壊で知られれることが分かったことによって鋼材の損傷における水素のてきた(23) ．建築に用いられる高力ボルトは， 1960 年代に役割が重要視されるきっかけとなった(13)．

13T 級(引張強度＞130 kgf/mm2)までが JIS 化されたが，遅鍛鋼品などにしばしば認められた．2.

1940 年代はじめには高温で抽出した水素含有量と白点発れ破壊が起きたことから JIS 規格から外され，各強度等級の

生感受性の関係などについても検討されている(13) ．白点を引張強度に上限が定められた．その後遅れ破壊が起きないと含む水素脆化現象については 1971 年の鉄と鋼に掲載された思われていた11T 級のボルト(100～ 130 kgf/mm2)でも破壊

下川による技術資料に詳しく(12) ，白点発生は鋼中水素量のが生じ， 1979 年の JIS 改定では 11T を使用しないよう勧告

みによるものでなく，冷却応力，変態応力，特に偏析によるがなされた(24)(25)．工期短縮や資源節約の他，新たな建築設

局所変態応力あるいは組織などによって著しく発生傾向が変計への期待もあり，高力ボルトの高強度化の需要は高いが，わることが明らかであるとされている．

引張強度が1200 MPa 程度を越えると強度向上にともなって水素が引き起こす鉄鋼材料の劣化としてはまた，硫化水素

水素脆化感受性が増すために(23)(25)，新規材料の開発や，よを含む湿潤環境(サワー環境)，めっきや酸洗によって生じる

り水素侵入を招く厳しい腐食環境において使用される場合にふ く れ ( Blistering ) ， 水 素 誘 起 割 れ ( Hydrogen

Inducedは重要な問題となる．

HIC )や硫化物割れ( Sulfide

Corrosion

このような高力ボルトの遅れ破壊の事例は最近でも見られ

Cracking, SSCC または Sulfide Stress Cracking, SSC)，溶接ており ， 2013 年にカリ フォルニアで新 しく作られた The

Cracking,の 低 温 割 れ ( Cold

Stresscracking ) な ど が あ げ ら れ る ． HIC やSan FranciscoOakland Bay Bridge で，耐震用の衝撃吸収機

SSCC は1940年代末よりサワー環境の石油精製機器やライン構に用いられる溶融亜鉛めっきしたアンカーボルトの 96 本

パイプで問題化し， 1972 年にペルシャ湾に敷設されたライ中の32本が破断した(26)(27)．これによる開通の遅れで64億ドンパイプで HIC が発生し原油が流出したのを契機として，ルの損害がもたらされた．

さらに精力的に研究が行われるようになった(14) ． NACE

先にあげた水素侵食や，水素侵入が著しいサワー環境で発(National Association of Corrosion Engineers)が1943年に設生する HIC, SSCC とは異なり，上記のような高強度鋼の水立された背景にも，このサワー環境での腐食や割れの問題を素脆化(遅れ破壊)は大気腐食中の比較的マイルドな環境で発解決する目的があった(14)．

生する．高強度鋼に見られる水素脆化は古くから研究が進め

HIC は炭素鋼や低合金鋼で見られる現象で，表面のふくら れ て い く 中 で 数 々 の 機 構 が 提 案 さ れ て い

れ，伸展した非金属介在物を起点とした内部の割れや，階段る(16)(23)(25)(28)(32) ．その中には HIC 同様に水素分子の圧力状に連結した割れなどの形態を示す． HIC の発生機構としが寄与するとする水素ガス圧説も含まれるが，現在のとこては，非金属介在物と母相との界面に析出する分子状の水素

ろ，水素脆化の機構として国内で主に取り上げられているのの内圧によると考えられている(15) ． Zapffe らは，前述の白は，金属原子の結合力が水素によって低下し破壊が生じる

点などの欠陥が材料内の不均一部分に析出した水素ガスとそHydrogenEnhanced Decohesion (HEDE)(35)(37)，水素と転れによって生じた内部応力に起因することを指摘してお位の相互作用により局所的な塑性変形が助長される Hydro-

り(16)，機構の類似性が見られる．外部応力の作用しない場

genEnhanced Localized Plasticity (HELP)(33)(34)，水素が合を HIC と呼び，外部応力の作用している場合を硫化物割

塑性変形による空孔生成を助長して延性的な破壊を引き起これと呼んでいる． SSCC は HIC と同様にサワー環境の溶接

す Hydrogen

部など硬化した部位に起こりやすく，内部の欠陥など応力集( HESIV )(31)(38) の 3 つが主と思われる．いずれの機構にし中部を起点として発生し，応力方向に垂直に進展する．

ても金属中の原子状の水素が寄与するとしている．

Enhanced

StrainInducedVacancy

SSCC もまた水素脆化によるとする説が有力である(17)(18)．

水素脆化の研究の進展には，鋼中に取り込まれた水素の昇

サワー環境で用いられる鋼材の損傷の抑制は，硫黄をはじ

温脱離分析の普及が寄与している．水素の昇温脱離分析はめとする不純物元素の低減，低偏析や介在物の形状を制御し80 年代より用いられるようになり，チャージされた水素量た耐サワー環境用鋼材の製造方法が飛躍的に進んだことや，や水素トラップサイトの解析に用いられるようになっ

パイプラインの脱水，インヒビターの利用や水素侵入モニタた(39)(43) ．これにともなって，遅れ破壊発生限界拡散性水リングなどの技術の導入によって抑制が進められた(14)(15)．

素量(41)(42)(44)(45) が遅れ破壊感受性を評価する指標として用

金属材料の水素脆化としては，ジルコニウム合金(19)やチ

いられるようになった．近年鋼構造協会から出された高力ボ

タン(20) のように脆弱な水素化物の生成が損傷に寄与する水

ルトの遅れ破壊評価法ガイドラインにも水素量基準の評価法

素化物脆化や，銅の場合共晶として Cu2O が存在すると水素が用いられている(46)．最近では，高井らにより開発されたを含む還元性のガス中の加熱により侵入した水素が Cu2O を低温からの昇温が可能な水素昇温脱離分析装置によって，比還元して金属 Cu と高圧の水蒸気が生じ，微小なバブルの形

較的弱いトラップサイトの分析もできるようになり水素の存

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan在状態や役割の理解が進みつつある(47)(48)．
また，金属材料中の水素を可視化する手法として， 1960

および水素拡散特性などのデータベースが構築など，実用のための水素利用技術に取り組む研究拠点となっている．

年代よりトリチウムオートラジオオートラジオグラフィ

2000年頃から開発が進められた35 MPa の水素ステーショー(49)が，1980年代はじめより水素マイクロプリント法(50)やンでは，水素中の低ひずみ速度引張試験で引張強度，降伏

銀デコレーション法(51) ，二次イオン質量分析法( SIMS )(52)

点，伸びおよび絞り，疲労寿命，疲労進展速度が大気中と同が取り入れられ，金属組織中の水素の存在位置や拡散パスに程度の「水素の影響がない材料」のみが認められたが，関する理解が進んだ．最近では．3 次元アトムプローブを用

2010年頃からの70 MPa 水素ステーションでは「水素の影響いたナノサイズの析出物にトラップされた水素の観察が報告が少ない材料」へと使用範囲が拡大され， 2013 年からはさされ(53)(54)，またケルビンプローブを用いた表面電位測定か

らに「ある程度水素の影響を受けるが安価な材料」へと拡大

ら水素観察を行う方法が開発されるなど(55)，水素の挙動のが進められた．

研究が発展しつつある．

高圧水素中で用いる強度設計に関しては，特集記事(63) に水素脆化(遅れ破壊)は今も機構に関する議論が続いている

詳しいのでそちらを参照されたい．設計基準を設けるための状態であり，また鋼種によっても破壊の形態が異なることな

バックグラウンドとなる多くの試験が行われ，水素ガス中でどから，機構に基づいた統一的に用いられる評価手法の確立

のき裂先端近傍の狭い領域における滑りの局在化により，きが難しいところである一方，今日高強度化の進む自動車用の裂が開口せず鋭いまま進展する水素誘起継続き裂進展モデル

薄板など種々の材料の水素脆化特性評価(56)(57)に対する要望が提案され(64)，SUS304も安全に用いられるとする基準の提も高まっており，研究の進展が期待されている．

案へと鋼種拡大の取り組みがなされている．さらに，水素の影響が懸念され国内では用いられていない溶接継手の安全な.

水素ガス環境中の水素脆化と取り組み

使用に向けた研究も行われている(63)．
最初に示したように，水素・燃料電池戦略ロードマップ改

水素ガス環境での水素脆化が大きく取り上げられる契機と訂版」では(1)普及目標が目前に迫っている．安全性と経済性なったのは NASA のスペースシャトル開発の頃と思われ，を両立させたシステムの普及には，水素の効果を把握した上高温強度，耐酸化性が優れるものの水素脆化感受性が大きいでの基準の確立が重要であろう．

Ni 基超合金の水素脆化の研究が行われた．日本でもロケッ

トの液体水素エンジンに用いられる Ni 基超合金に関しての

.

お

わ

り

に

研究が行われ，室温から高温の高圧ガス中(58) あるいはオー
トクレーブ中で水素を吸収させた試験片を用いた引張試験が最初に例をあげた水素侵食も含めて振り返ると，水素に起行われた(59)．アメリカでは， 1993年のクリントン大統領の因する問題との付き合いは長く，金属材料の水素脆化課題は提唱や，エネルギー省主導の Freedom CAR 9 で，水素燃料

材料の用いられる環境に応じて種々の損傷事例を経験し，材電池自動車に関連した技術開発が推進されたことも後押しし料の損傷への対処と材料科学の進展はともにあった．現代でた(60)．

は安全重視のため，事前に安全の確保をすべくより厳しい評

日本では，新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)

価基準，規制が設けられがちであるが，実使用条件では設計の「水素利用国際クリーンエネルギーシステム技術( WE 

上十分安全を見極めた上で用いられる材料の選択肢を広げらNET)研究開発」(19942002年度)および「水素安全利用等れる，妥当で精度のある評価方法を確立することもまた重要

基盤技術開発」(20032007年度)のプロジェクトで水素エネな取り組みであろう．また，それを支える理論構築が，新規

ルギー利用のための安全技術開発が進められた．後者プロジ

な材料を生み出す際の指針になると考えられる．

ェ ク ト で は ， 45 MPa の 高 圧 水 素 ガ ス 雰 囲 気 下 に お い て

さ て ， 試 み に ScienceDirect で keyword が hydrogen em-

SUS304 や SUS304L では延性や疲労特性が劣化するが，アbrittlement (水素脆化)の 1 年間の論文数の推移を見てみた

ルミニウム合金 A6061 T6 と SUS316L についてはそれがところ，図に示す結果となった．データのある 1998 年か見られないことなど，種々の金属材料の高圧水素ガス中でのらしばらくは 300から 400 報の間であったのが， 2010 年以降

水素脆化特性のデータが集積され(61) ，続く「水素社会構築

単調増加し，2015年には800を超えた．この顕著な増加から

共通基盤整備事業」(20052009年度)では規制見直しのためも，最近の水素脆化への関心の高まりと取り組みの多さ，さのデータ取得が行われた．

らに水素ガス環境で用いられる材料やより強度の高い材料へ

NEDO の水素関連事業は，「水素先端科学基礎研究事業」の社会からの要求が増していることが見て取れ，それだけ水( 20062012年度)，「水素製造・輸送・貯蔵システム等技術

素脆化の克服が将来の社会への寄与が大きいということを示

開発」( 2008 2014 年度)，「水素利用技術研究開発事業」

すものと思われる．

(20132017)へと続いて現在に至るが，これらのプロジェク

本稿では長い歴史を大まかに振り返っているので，説明不トで得られた技術開発成果は解説(62) に詳しいのでそちらを足のところ，また独断に偏ったところもあるかと思うが，参参照されたい． 2006 年には産総研と九州大学が共同で運営

考になれば幸いである．

する水素材料先端科学研究センター(HYDROGENIUS)が設立され，基礎研究から評価手法， 100 140 MPa 水素ガス中
での金属材料の低速引張特性，疲労寿命，疲労き裂進展特性



特

集

図1

Scopus に よ り ``hydrogen embrittlement'' で 検 索
して見つかる論文数の年間あたりの最近の推移．

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★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
1991 年

秋山英二

東北大学大学院理学研究科化学第二専攻博士課程前期 2 年の課程修了
1991年 東北大学金属材料研究所助手
1999年 金属材料技術研究所研究員
2001年 物質・材料研究機構研究員
2016年 4 月東北大学金属材料研究所教授
専門分野腐食科学，電気化学，水素脆化◎構造材料の信頼性評価に関する研究に従事．
高強度鋼の水素脆化挙動の解明，評価法開発を中心に活動中．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★



第一原理計算に基づく材料研究の新展開

田

中

功

精度で計算できるようになった．それが材料科学における第

.

は じ

め

に

一原理計算の役割を大きく変えた．今や，材料科学における諸問題を解決するための不可欠なツールになったのである．

物質中の電子の状態を，実験的に知られている物性値など

特筆すべきは，材料科学が依拠する統計熱力学と第一原理計

経験値を参照することなしに，量子力学の原理に基づいて計算とを定量的に結び付けることが可能になったことである．

算する手法のことを第一原理計算と呼ぶ．その特長は，経験

本稿では，そのような最近の流れについて紹介する．

値を参照する計算手法と対比させることで際立つ．たとえば多くの大規模分子動力学計算では，経験値を参照することで構築した原子間ポテンシャルを用いて，ニュートン力学に基づいて物質中の原子の挙動をシミュレーションする．このような計算は，原子間ポテンシャルを作る際に参照した原子配列や元素の組み合わせから逸脱したときに予測能が乏しいことが難点である．第一原理計算には，そのような問題はない．
何らかの単位胞と原子配列を与え，その電子系について第一原理計算を実施すると，電子状態が求められるだけでな
く，電子系の全エネルギーと，各構成原子に及ぼされる力，および単位胞に及ぼされる応力が求められる．この 3 つの量は，材料研究において極めて有用である．たとえば原子配列最適化という手続きは，想定している圧力(たとえば 1 気圧)のもとで，各構成原子に及ぼされる力をできるだけゼロに近づけるように行われる．
第一原理計算と一括りにしても，電子系の多体問題を近似的に解く手法や基底関数に応じて，計算負荷や精度が大きく異なる．現在，金属・無機材料分野で広く用いられているのは，密度汎関数法( DFT )に基づく，平面波基底による擬ポ
テンシャル法や PAW 法である．これらの方法が開発され，安定して動作するように様々な改良が重ねられた．また計算機の演算性能や記憶容量が飛躍的に増大し，上述の全エネル
ギー，力と応力が，PC レベルの計算機によっても手軽に高

図1

拡張単位胞(スーパーセル)中の 1 つの原子に微小変位を与えたときに，当該原子および周囲の原子に働く力．

京都大学大学院工学研究科教授(〒606
8501 京都市左京区吉田本町)
New Approaches to Computational Materials Science Using First Principles Methods; Isao Tanaka(Department of Materials Science andEngineering, Kyoto University, Kyoto)
Keywords: phonon, thermal properties, structure evolution diagram, phase transition pathway, phonon anharmonicity, lattice thermal
conductivity, materials informatics
2016年 3 月29日受理[doi:10.2320/materia.56.234]



特

集

に収録されている多数の物質についてのフォノン計算結果を.

第一原理計算に基づいたフォノン状態

データベース phonondb(2)として公開している．電子状態の第一原理計算のデータベースが米国の Materials project(3)や

図に示すように，構造最適化した結晶に対し，1 つの原

aflowlib(4)などとして，すでに公開されているのに対し，フ子をある方向に微小変位させると，一般に全エネルギーは増ォノン状態のデータベースは，本稿の執筆時点では，

大し，当該原子が元の位置(平衡位置)に戻ろうとする復元力

phonondb が唯一である．このようなデータベースは，後章が働く．周囲の原子にも，原子配列の乱れに対応した力が働で述べる材料インフォマティクスによる材料探索に極めて有く．最近の第一原理計算では，この復元力を高精度に求める用となる．

ことができるため，調和近似のもとで運動方程式から原子の振動数を求めることができる．このような計算を結晶の対称.

虚数振動モード解析に基づく構造探索性に基づいて系統的に実行すると，フォノンの分散曲線や状態密度を求めることができる．フォノン状態が求められる

前章で述べたように，一般に結晶中の原子を任意の方向にと，ボーズ・アインシュタイン統計にしたがって，調和近似

微小変位させると，全エネルギーは増大し，原子に対して平の範囲で定積比熱や，ヘルムホルツ自由エネルギー，エント

衡位置に戻ろうとする復元力が働く．これを動的(機械的)安

ロピーの温度依存性を評価することが可能となる．さらに準定条件と呼ぶ．この条件は，調和近似のもとでは，すべての調和近似，すなわち結晶の体積が温度によって変化するとフォノン振動数が正の実数であることと等価である．一方き，それぞれの体積においてフォノン状態に調和近似が成り

で，実際に存在しないような仮想的な結晶についてフォノン

立つと近似すると，フォノンの体積依存性の系統的な計算か計算を行うと，この動的安定性条件を充足せず，ある特定のら定圧比熱や熱膨張係数が簡便に求められる(図)．このよ

方向に原子を微小変位させることで全エネルギーが減少する

うなフォノン計算のためのプログラムの 1 つが，東後が開ことがある．この場合，フォノン振動数は虚数となる．虚数発した phonopy (フォノパイ)(1) であり，現在，世界中で広振動モードは，仮想的な結晶が，どのような原子の協調運動

く利用されている．いまフォノン計算は，単純構造の結晶でと関連して構造変化するかを明確に示している．これを利用あれば，最近の PC クラスターを利用してルーチン的に実行すれば，構造相転移に伴う原子の移動経路，応力下での未知することが可能である．我々は結晶構造データベース ICSD

構造探索やせん断応力下での塑性変形の素過程など，材料科

図2phonopy コードの出力例 Al ( FCC )について，調和近似のもとで計算したフォノン分散曲線，状態密度と様々な熱的性質．

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan学の様々な問題に解決の糸口を与えることができる．このよ

この HCPFCC の相転移経路上に BCC が存在することもうなアプローチは，高精度のフォノン計算が多数実行できる興味深い． Cu では BCC は動的不安定構造であるが， Fe のようになって初めて可能になったものであり，今後，様々な場合は強磁性( FM )の場合のみならず，キュリー温度 770 °C問題への適用例が増えると期待される．

以上での常磁性(PM)状態でも動的安定である(6)．この BCC

図には，Cu を対象に単純立方(SC)構造を出発として，(FM)Fe に400°
C以下で静水圧を加えると HCP に相転移す

様々な結晶構造が形成される過程を虚数振動モード解析によるのに対し，BCC(PM)Fe に静水圧を加えると，FCC に相って追究した結果を示す(5)．図中の白抜きシンボルは，動的転移することが実験的に知られている．フォノン計算の結果，不安定な構造に対応する．これらは不安定構造であり，準安BCC ( PM )Fe に静水圧を加えると， BCC から v 構造に至定構造ではない． Cu で動的安定であるのは， FCC と HCPるフォノンモードが著しくソフト化し， BCC → v → FCC とだけである．HCP の方が FCC よりもわずかにエネルギーがいう構造相転移が容易に生じることが明らかとなっている(6)．

高く， HCP は準安定構造である．図中で 2 つの構造が線分.

で結ばれている場合は，両構造が線分の横に示した空間群のフォノンの非調和性と格子熱伝導度

もとでエネルギー障壁なしに，虚数振動モードに従って遷移可能であることを示している．この図のことを， evolution
diagram と呼んでいる．

第 2 章で述べたのは，調和近似のもとでのフォノン計算であった．実験的に知られている多くの結晶では，高温を除SC Cu についてのフォノン分散曲線は，図 3 の挿入図にく広い温度域でこの近似により熱的性質を適度に算出するこあるように，波数ベクトルの M 点( ,  , 0)と X 点( , 0,とができる．しかし，本質的に調和近似や準調和近似では導0)において虚数の振動数を持つ．SC が空間群 Pm3̃m である

出できない物性値もある．代表的なものが格子熱伝導度であのに対し， M 点の虚数振動モードに対応させた微小変位をる．格子熱伝導の抵抗は，フォノン同士の散乱に起因する．

与えるためには，単位胞サイズを 2 × 2 × 1 と拡張し空間群

調和フォノン同士は相互作用しないため，調和近似のもとでを P4 / mmm とする必要がある．この空間群 P4 / mmm の下は，格子熱伝導度は無限大になる．格子熱伝導度には，フォで構造最適化を行うと，エネルギー障壁なしに BCT 構造にノンの非調和性が本質的である．フォノンの非調和性の最大至り，これも動的不安定構造であるために，空間群 Cmcm

成分となる 3 次の力定数を求めるためには，図 1 のスーパのもと，最終的に動的安定構造である HCP に至る．一方 X

ーセル内で，2 つの原子を同時に変位させる必要がある．こ点では振動モードは 2 重に縮退しており，そのうちの 1 つれにより，フォノンの寿命が求められ，ボルツマン方程式をの経路は， SC → SH → v → P31m → FCC という経路を取る．

使うことで格子熱伝導度が算出できる．これは，調和近似でもう一方の経路は，空間群 Cmcm のもと， FCC 構造に至のフォノン計算に比べて桁違いに多い計算量となるが，東後る．この evolution diagram から，様々な情報が得られる．

の開発した phono3py(7)を利用すると，自動的に計算が実行

たとえば FCC と HCP のエネルギーは，Cu ではごく僅かしできる．図には，この手法で第一原理計算によって求めたか違わないが，これらの構造間の相転移を図中の経路に沿っ

300 K での格子熱伝導度を，実験結果と比較して示す(8)．計た原子の集団運動の結果として起こすには，鞍点として v

算結果は，実験結果と精度が比肩できるレベルになっている

構造にまでエネルギーを 0.08 eV/atom 増加させなければな

ことが見てとられる．

らず，これは 1000 K 近い温度に相当する． HCP から FCCへの相転移を原子の集団運動の結果として起こすのは容易でないことがわかる．

図3

Cu について，単純立方(SC)構造を出発として計算により構築した evolution diagram(5)．

図4

第一原理計算による 300 K における格子熱伝導度の実験値と計算値の比較(8)．

特集時期となっている．フォノン計算を通して統計熱力学と第一.

仮想スクリーニング法による低格子熱伝導度物質の探索

原理計算とを定量的に結び付けることは，一つの重要なアプ
ローチである．また仮想スクリーニングのような材料インフォマティクスの手法を的確に活用すると，材料探索に新展開

図 4 に示した格子熱伝導度の第一原理計算は計算コストが期待できる．

が高いため，現状では多数の物質を網羅する計算を実施する

文

ことは難しい．そこで，材料インフォマティクスの一つの手献法である仮想スクリーニング法を適用し，低格子熱伝導度物
質を効率よく探索した(8)．格子熱伝導度の計算をまず101種類の結晶について実施し，そのデータをもとに，ガウシアン
プロセス回帰に基づいたベイズ最適化(クリギング)により，構造既知の無機物質ライブラリ全54779件の範囲から物質探索を行ったのである．格子熱伝導度が低いと予測された化合物の上位 7 種について，再び格子熱伝導度の第一原理計算を行って検証したところ，図に示すようにすべて 300 K
にて 0.3 W / mK と いう極めて低い値になるこ とが判明し( 1 ) A. Togo and I. Tanaka: Scr. Mater., 108(2015), 1.
( 2 ) http://phonondb.mtl.kyoto
u.ac.jp/( 3 ) https://www.materialsproject.org/( 4 ) http://aflowlib.org/( 5 ) A. Togo and I. Tanaka: Phys. Rev. B, 87(2013), 184104.
( 6 ) Y. Ikeda, A. Seko, A.Togo and I. Tanaka: Phys. Rev. B, 90(2014), 134106.
( 7 ) A. Togo, L. Chaput and I. Tanaka: Phys. Rev. B, 91(2015),
094306.
( 8 ) A. Seko, A. Togo, H. Hayashi, K. Tsuda, L. Chaput and I.
Tanaka: Phys. Rev. Lett., 115(2015), 205901.

た．これらは従来知られている低熱伝導度物質に比べて，1★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

桁以上低い超低熱伝導物質であり，構造材料における熱遮蔽できるようになってきた．いま第一原理計算は，電子状態解

1982年 京都大学工学部卒業
1984年 京都大学大学院工学研究科修士課程修了
1987年 大阪大学大学院基礎工学研究科博士後期課程修了(工学博士)
1987年 大阪大学助手(産業科学研究所)
1993年 京都大学助手(工学部冶金学科)
2003年 京都大学大学院教授(工学研究科材料工学専攻)現在に至る
専門分野材料物性学，セラミックス材料学，金属材
料学◎第一原理計算を活用した機能材料から構造材料に及ぶ幅広い材料科学研究に従事．

析に留まることなく，得られる膨大なエネルギーや力などの★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

体のみならず，熱電変換材料の開発において，材料の選択肢を大幅に増大させた重要な成果として注目できる．

.

お わ

り

に

PC レベルの計算機で，高精度の第一原理計算が多数実行

田中功

情報を材料研究の問題にどのように適用するか，知恵を絞る

図5

Materials Project データベース(3)掲載の無機物質全54779件についての仮想スクリーニングによるランキングの上位と，実際に第一原理計算によって確認された低熱伝導度物質(8)．

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan社会基盤を支える鉄鋼材料の進化
三田尾

.

は じ

め

に

眞

司

. TMCP の 進 歩

私たちの現代都市生活を支える社会基盤用鋼材に求められ

図に，厚鋼板製造プロセスにおける連続化の足跡を年代る第一の機能は，構造物の安心・安全の確保であり，必要なとともに示す(1) ．圧延素材のスラブ製造は 1960 年代後半か

強度とともに，破壊に対して抵抗を有すること，すなわち，

ら連続鋳造の適用が進み， 1980 年代中ごろには連鋳比率が十分な靱性が求められる．

90超に達した．

近年，輸送の効率化のためのコンテナ船の大型化，大空間

厚板圧延プロセスにおける連続化の第一歩は，焼きならしを可能にする建築構造物の大型化など，構造物の大型化が進(焼準)( N: Normalizing )に対する制御圧延( CR: Controlled

み，鋼材も厚肉・高強度化している．しかし，高強度化は，

Rolling)の開発である．N は900°
C程度のオーステナイト(g)一般には靱性の低下を招く．また，厚肉・高強度化を達成す域に加熱後放冷し，微細 g から変態した微細な組織により，るためには，通常は多くの合金元素の添加が必要となり，溶強度および靱性を向上させるプロセスである．CR は圧延温接に際して予熱が必要になるなど，溶接施工性を大きく低下

度を一般に低温側に制御することにより再結晶 g 粒を微細化させる．また，鋼材が厚肉であるほど，その溶接には多大なし，その後の変態生成組織を微細化する手法である． N と労力を要し，厚肉鋼材を高能率で溶接する大入熱溶接を用い

CR の 大きな 違いは， CR の場合は 圧延 条件の制 御によ っると，母材はおびただしい熱影響を受け，組織が粗大化してて，冷却前の g の状態を制御する自由度があることである．

靱性が劣化してしまう．このように，鋼材の厚肉・高強度化

冷 却 前 の g の 制 御 は 圧 延 後 に 加 速 冷 却 ( AcC: Accelerated

は，靱性の確保という観点からは不利な方向性である．現実

Cooling)を行う場合に更に重要となり，ベイナイトなどの低的に構造物の大型化が可能になっている背景には，厚肉・高温変態組織の活用と微細化により，一層の高強度，高靱性化

強度でも，十分な靱性を確保できる鋼材の開発がある．

を図ることができる． TMCP は，CR, AcC をオンラインで

表に，近年開発された社会基盤用鋼材の例を示す(1)．特組み合わせた組織制御プロセスの技術体系であり，本格的に徴・機能としては，高強度，高靱性，優れた溶接継手性能，普及したのは，世界で初めて日本において厚板加速冷却設備

特に大入熱溶接が可能な鋼材の開発に関するものが多い．また，それを達成する製造プロセスとしては TMCP(加工熱処理 Thermo Mechanical Controlled Process )が多く，近年の鋼材開発に対する寄与の大きさが伺われる．本稿では，
TMCP と大入熱溶接 HAZ(熱影響部 Heat Affected Zone )の組織制御技術の進歩について概説するとともに，耐破壊性能に関わる鋼材開発例を中心にポイントを述べる．最後に，激動と言えるこの 10 年間に起きた社会構造用鋼材に関わる出来事を振り返り，今後の展望を考えたい．
図1

厚鋼板の製造プロセスにおける連続化(1)．

株式会社豊田中央研究所主監，材料・プロセス 1 部部長(〒4801192 長久手市横道411)
Advance in Steel Materials for Social Infrastructure Supporting People's Modern Lives; Shinji Mitao(Toyota Central R&D Labs., Inc.,
Nagakute)
Keywords: steel plates, TMCP, shipbuilding, brittle crack arrestability, building, offshore structure, large heat input welding
2016年 7 月 4 日受理[doi:10.2320/materia.56.238]



特

集

表1
分野

近年の厚板新商品開発例(文献(1)より抜粋)．
商品

製造プロセス

特徴，機能，備考

大型コンテナ船用
YP 355460 MPa
級鋼

TMCP

大入熱

大型コンテナ船用YP 390 MPa 級鋼

TMCP

大入熱
アレスト
大入熱・アレスト

大型コンテナ船用YP 460 MPa 級鋼

TMCP

大入熱
大入熱・アレスト

耐疲労鋼

TMCP

造船

YP 500 MPa 級鋼

TMCP

－10°
C継手 CTOD†YP 385 MPa 級鋼

TMCP

低 YR，非大入熱，
大入熱

T
DQQ′

YP 440 MPa 級鋼
建築

T
DQQ′
T
DQQ′

CRAcC誘導加熱
YP 630 MPa 級鋼

T
NQ′

DQN′
T

TS 1000 MPa 級鋼橋梁

低 YR，高溶接性，
大入熱
低 YR，高溶接性
低 YR，耐火
低 YR，
オンライン製造
鋼管，低 YR
鋼管，低 YR
高 YR

YP 500, 700 MPa
級鋼

TMCP

低 Pcm

耐摩耗鋼 HB 360級

TMCP

－40°
C靭性保証

耐摩耗鋼 HB 500級

TMCP

－40°
C靭性保証

高加工性耐摩耗鋼である． RQ T と DQ T の熱加工履歴を図に比較して示す．DQT は，RQT における g 域への再加熱処理を省略したプロセスと見ることができるが， DQ T では熱間圧延条件の制御によって，焼入れ前の g の状態を制御できる自由度がある．焼入れ性が十分に高い鋼に対して，未再結晶 g 域での圧延後， AcC することにより，低温変態組織中に極めて微細な下部組織が形成され，その後の焼戻しによって微細な炭化物が分散されるため，強度とともに靱性も向上する(オースフォーミング)．
2000 年代に入り， DQ T の焼戻しプロセスを誘導加熱によりオンラインで行う，DQオンライン誘導加熱プロセスが実用化された(2)(4) ．このプロセスは， DQ T のバッチ焼戻
し熱処理を連続化したプロセスと見ることができるが，焼戻し(再加熱)前の組織を制御できるという自由度がある．冷却
停止温度再加熱開始温度の制御により，新しい組織制御技

－40°
C靭性保証

術が見出され，例えば，従来，3 回のバッチ熱処理を経ない

ハイテン YP 960
MPa 級鋼オースフォーム
急速焼戻

－40°
C靭性，
耐水素脆化

ハイテン YP 1100
MPa 級鋼オースフォーム
急速焼戻

－40°
C靭性，
耐水素脆化

スーパー 9Ni 鋼

T (直接焼入れ焼戻し( Direct Quenching and Tempering ))

－40°
C靭性保証

建産機 ハイテン YP 685
MPa 級鋼

TMCP
ハイテン TS 550オースフォーム
610 MPa 級鋼
急速焼戻

熱間圧延後の g 域から直接焼入れ，焼戻すプロセスが DQ 

高加工性

TMCP
オースフォーム
急速焼戻TS 610, 950 MPa
級鋼
エネル
ギー
V 改良型
2.25Cr1Mo

RQT と DQT の熱加工履歴の比較(1)．

heating, Quenching and Tempering )がある．これに対し，

耐食鋼
海構

図2

低 Pcm，低温靭性，
大入熱
高靭性と得られなかった TS≧600 MPa の高強度，かつ低降伏比の鋼材が，オンラインで製造できるようになった(5)(6)．
このように， TMCP をベースとする製造プロセスの連続化によって，オフライン熱処理を省略しつつ，高性能鋼材が数多く開発されており，プロセス合理化と鋼材高機能化の両立が達成されている．プロセスの連続化は，前工程のばらつ
きを次工程で受け継ぎ，次工程のばらつきとともに拡大させオースフォーム

予熱フリー，高靭性

QTPWHT

高靭性，
耐水素脆化

TMCP のバリエーションの増加に対するプロセス技術開発

T
QQ′

厚肉・高靭性の寄与は非常に大きい．至近の 5 年間では，制御圧延時の低コスト

温調冷却を強冷化するプロセスが新たに開発され，高性能鋼

9Ni 代替 6Ni 鋼† CTOD(Crack Tip Opening Displacement)亀裂先端開口変位．

る傾向にあるため，種々のばらつきを極限にまで低減させる
プロセス開発は極めて重要である． 1990 年代後半以降の開発と生産性向上に威力を発揮している(7)．

CTOD 試験は破壊靱性試験のひとつであり，各試験温度において不安定破壊に至る直前の亀裂先端開口量(限界 CTOD 値)で評
価する．

.

高性能社会基盤用鋼材

ここでは，造船，建築，海洋構造物の各分野にスポットをが実用化された1980年以降である．
一方，ベイナイト，マルテンサイトなどの低温変態組織を
活 用 し た ， 概 ね TS ( 引 張 強 さ ( Tensile Strength ) ) ≧ 600
MPa の熱処理プロセスとして，焼入れ焼戻し( RQ T: Re-

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan

当て，最近の高性能鋼材について概説する．


造船用アレスト鋼

表 1 にも示されているが，造船用鋼板の耐破壊性能の向上技術として注目されるのは，脆性亀裂伝播停止特性，すな

緩和効果，ならびに亀裂の屈曲により，アレスト性を高めら

わち，アレスト性に優れた鋼板である．

れることが報告されている(14)(15)．加熱温度の狭レンジ制御

コンテナ船は，荷役の利便性を確保するため，開口部が広による初期 g 粒径の微細化と合金元素溶体化，CR 温度の低

く，船体の縦剛性を上部構造で確保する特殊な構造を有す

温高精度制御， CR 後の均一強冷却など，最先端の TMCP

る．コンテナ積載数の増大にともない，上部構造には板厚技術が駆使され，降伏点(YP: Yield Point)390～460 MPa 級

50 mm 以上の厚肉高強度鋼板が用いられるようになった．

のアレスト性に優れた厚肉高強度鋼板が開発されてい板厚 40 mm 以下では，溶接部から発生した亀裂は残留応力の影響で母材側に逸れ，船体破断は免れると考えられてきたが，板厚 50 mm 以上の厚肉鋼板では，脆性亀裂が溶接ボる(14)(16)(18)(表 1)．


建築用高張力鋼板

ンド部を直線的に伝播することが報告された(8)(10)．溶接ボ

この 10 年ほどの間に，低 YR (降伏比( Yield Ratio )＝ YP /

ンド部を直進してきた脆性亀裂を母材で停止させる(アレスTS)，高溶接性，大入熱溶接性等を特徴とする YP 385 MPa

トする)ためには，脆性亀裂伝播停止靱性( Kca )≧ 6000 N /以上の高張力鋼板が開発されている(表 1)．

mm3/2 が必要であることが明らかにされた(10)(12)．

建築用鋼板には，大規模地震における建築構造物の倒壊をアレスト性を向上させるためには，母材靱性の向上と集合抑えるため，破断するまでに大きく変形して地震のエネルギ

組織制御によるセパレーション発生促進が有効である．母材

ーを吸収する機能が求められる．1994年に規格化された SN

値と関係の一例を図に示す(13) ． K

ca ≧ 6000 N /鋼( JIS G 3136 )は，その要求に応えるものであり， YR ≦mm3/2 とするためには vTrs ≦－ 80 °C の高い靱性が必要であ80 のほか，降伏点の狭レンジ化，衝撃特性，溶接性に関る．また，低温 CR など TMCP の最適化により，( 100 )面

して炭素当量( Ceq )，溶接割れ感受性組成( PCM )が規定されの面集積度を高め，マイクロクラックによる亀裂先端の応力ている．

靱性と Kca

その後， 1995 年の阪神・淡路大震災では，いくつかの建築物において脆性的な破断が確認され(19)，柱梁接合部にはより高い靱性が要求されるようになった(｢鉄骨柱梁溶接接合部の脆性的破断防止ガイドライン｣(20) )．柱梁を想定した炭酸ガス多層盛り溶接部に対し，0°
Cにおける衝撃吸収エネル
ギー( vE0 )≧ 27, 70 J となる鋼材成分の目安が，それぞれ，次式のように示されている(21)．
fHAZ＝[C＋Mn/8＋6(P＋S)＋12N－4Ti]
vE0≧27 J: fHAZ≦0.63
vE0≧70 J: fHAZ≦0.58

(ここで，C, Mn 等は各元素の massである)(1)

建築構造用鋼の製造プロセスとミクロ組織，強化機構につ
図3

母材靱性と Kca の関係(13)．

図4



いて図に整理して示す(22) ．鋼材の低 YR 化には，ミクロ

建築構造用鋼の製造プロセスとミクロ組織，強化機構(22)．

特集関連して果たす役割は，今後，益々，重要になると考えられる．ここでは，一例として，海洋構造物用鋼材について，近年の動向を簡単に述べる．
表 1 には，－10°
Cの低温継手靱性を保証した YP 500 MPa級鋼の開発が挙げられているが，海洋構造物用鋼材に求められる代表的な特性は，厚肉，高強度，低温靱性である．
1980 年に北海で発生した掘削構造物施設アレキサンダー・

キーランド( Alexander Kielland )の転倒事故で 120 名を超える犠牲者を出した反省をもとに，特に溶接継手に対する厳格な低温靱性が要求される．
海洋構造物は，掘削構造物と生産構造物に大別される．掘図5

鋼材の降伏点と降伏比の関係(22)．

削構造物は場所を変えて試掘を繰り返すため，移動可能な構造であり，浅い海域ではジャッキアップリグが用いられる．
掘削設備，居住設備を載せたプラットフォームと，それを昇組織を軟質相(例えばフェライト( a ))と硬質相(例えばパー

降させる脚(レグ)，昇降装置から成り，レグ周りなどにはライトやベイナイト)の混合組織とすることが有効である．

YP 690 MPa 級の極厚高張力鋼が用いられる．

図(22) に，鋼材の TS と YR の関係を示すが，概ね TS ≧深 い 海 域 の 生 産 構 造 物 に は ， 浮 遊 式 の FPSO ( Floating

600 MPa の高強度鋼では，構成組織として a を活用しにく

Production, Storage and Offloading)などがあり，主要構造

くなるため， AcC ままや RQ T などで YR ≦ 80 を得るこ

体には YP 315～355 MPa 級鋼板が使われてきたが，近年のとは難しい．そのため，例えば，図 4(e)DQL(Q′)T のよ大型化・深海化に伴い，YP 420 MPa 級の厚肉高強度鋼板がうな複数の熱処理プロセスを経て，高強度低 YR 鋼を製造し用いられるようになった．

ている．先に紹介した DQ オンライン誘導加熱プロセスを

海洋構造物用鋼の主な開発課題は， YP 420 ～ 550 MPa 級

活用すれば，オンラインで低 YRHT 780鋼を得ることがでの高強度と，例えば－ 40 °C の低温継手靱性の確保である．

きる(5)(6)．なお，図 4 中の HSA 700は，次に述べる新構造

多層盛り溶接 HAZ 組織の粗大化と再熱による脆化組織の生システム設計に適用されるハイテンであり，YR≦98であ 高温でも安定な微細粒子(TiN, Ca(O,成を抑制するため，◯って，焼戻しマルテンサイトやベイナイトの単一組織である．

S)など)の分散

2004 年からスタートした「革新的構造材料による新構造

システム建築物の開発」プロジェクト(23)(24)では，主要構造
部材は弾性に保ち，ダンパー等の制震デバイスによって地震 析出物制御などにより有効な粒内 a 核生◯

成サイトを設けること

 低 Ceq 設計，特に， C, P, Si を低◯減した成分設計等の手段が取られる．
掘削構造物レグ周りに用いられる YP 690 級極厚鋼板は，のエネルギーを吸収して，震度 7 の地震に耐える「新構造

焼入れ性を付与するための Cr, Mo, B や Ni の添加，およびシステム設計法」が提案された．HSA 700は，新構造シス

P, S の低減が重要であり，RQT で製造される．

テム設計に対応した鋼材の一例で，YP≧700 MPa の高強度と YR≦98が規定されており，低 YR の基準が大きく緩和

.

大入熱溶接 HAZ の組織制御技術

されている．さらに高強度の TS 1000 MPa 級鋼も実用化されている(25)．

厚肉鋼材の溶接に大入熱溶接を採用することにより，溶接

一方，制震ダンパーとしての機能を付与するブレース，間能率が格段に向上し，構造物の製造コスト低減に直接寄与す

柱としては，低 YP 鋼( YP 100, 225 MPa 級鋼)が用いられる．しかしながら，入熱の増大によって母材への熱影響は顕ている．低 YP 鋼は純 Fe に近い成分組成であり，破断伸び

著 と なり ， 継 手靱 性 が著 し く 低下 し て しま う ． 表 1 の 造

は 40 ～ 50 ，あるいはそれ以上と大きく，溶接性等は TS

船，建築用鋼の特徴として多く現れる「大入熱」は，大入熱

400 MPa 級鋼と変わらない．最近では，低サイクル疲労特溶接を行っても継手靱性を確保できる鋼材である．

性の改善によって，制震ダンパーの性能余裕度を大幅に改善

図(27) に大入熱溶接 HAZ の靱性低下を引き起こすミク

し，大地震および度重なる余震によるダンパー性能の劣化をロ組織的要因について模式的に示す．靱性劣化要因として，抑え，交換頻度を大幅に低減できる Fe Mn Si 系合金が開 溶接金属に隣接した粗粒域における粒成長が著しく，ま◯発・実用化された(26)．熱弾性マルテンサイトによる可逆的

 冷却速度が遅く，粗粒域が，た，粗粒域の幅が広いこと，◯な変形により，弾塑性変形による地震エネルギー吸収を長期

硬質な M A ( Martensite Austenite constituent )を含む上部間持続させることができる．

 粗大な g 粒界に沿って，粗大ベイナイトに変態すること，◯

海洋構造物用鋼材

なフェライトサイドプレートが生成すること，が挙げられる．
 高温でも安定な微細粒子を分散さこれらの対策として，◯

エネルギーの採掘・生産・運搬・貯蔵には種々の性能を有せて g 粒界をピン止めし，粗粒域の粒成長を抑制するとともする鋼材が用いられており，社会基盤用鋼材がエネルギーに

 粒内に有効な a 核生成サイトをに，粗粒域幅を狭める，◯

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan




図8

TiN を核に生成したフェライト(32)．

いて大きな変化があった激動の 10 年であった．米国サブプ
図6

大入熱溶接 HAZ 靱性を低下させるミクロ組織的要因(27)．

ライムローンの信用問題に端を発し，世界同時不況に発展したリーマンショック(2008年 9 月)，東日本大震災(2011年 3月)，シェール革命などは，現在も各方面で様々な影響を及ぼし続けている出来事である．ここでは，この 10 年間を振り返り，社会基盤用鋼材と安心・安全，エネルギー，自然災
害，そして自然環境について考えたい．
◯

ハリケーン「カトリーナ」2005年 8 月に米国メキシ

コ湾岸を直撃．石油関連施設は激甚な被害を受け，一時，メ
キシコ湾の石油生産の約 9 割が停止に追い込まれた．原油供給に対する危機感が高まり，災害前に 1 バレル当たり約
図7

大入熱溶接ボンド付近のミクロ組織(27)．

60ドルだった原油価格は，約70ドルに高騰した．
◯

メキシコ湾原油流出事故 2010 年 4 月，メキシコ湾

沖合の「Deepwater Horizon」において，逆流天然ガスに引火・爆発炎上する事故が発生．2 日間炎上後，水没し，12名分散させ，粗大 g 粒を微細粒内 a からなる微細組織に変態が行方不明となった．海底近くで掘削パイプが折損したた

 低 Ceq 設計とし， M A の生成を抑制する，◯
N
させる，◯

め，原油流出の食い止め作業は困難を極め，封止の目途が立低減， Ni 添加等による母材靱性の向上，等の手段が取られつまでの約 3 か月間に流出した原油は，約 490 万バレル(約 ，◯ について述べる．
る．ここでは，◯

78 万 kl )に達した(34) ． 1989 年にアラスカ沖で発生した，タ◯

高温でも安定な微細粒子 TiN が比較的古くから用ンカー「 Exxon Valdez (エクソンバルディーズ)」号の座礁

いられている(28) ． TiN の活用等により，大入熱溶接 HAZ

事故(原油流出量約 24万バレル(約 4 万 kl ))， 1997年に島根

粗粒域幅を格段に小さくした開発例を図(27)に示す．また，

県隠岐沖の日本海で発生した重油タンカー「 Nakhodka (ナTiN よりも高温で安定して g 粒界のピン止め効果を発揮すホトカ)」号の重油流出事故(重油流出量約 6 千 kl)と比べてる粒子として，REM(O, S)(29)や，さらに微細なMg あるいも，その規模の大きさが伺える．リーマンショック後，原油は Ca の酸硫化物が効果的(30)(31)であると報告されている．

価格は上昇し，投資意欲も旺盛であったが，シェール革命に

粒内変態核による組織の微細化 a の有効な核生成よる米国での原油・天然ガス増産などの影響もあり， 2014

サイトになり得る介在物として，TiN, REM(O, S), BN, Ca

年以降，原油価格が大きく下落，深海海底油田開発を取り巻(O, S), Ti2O3 などが報告されている．図(32)は，TiN を核

く環境も変化している．

◯に生成した a の例である．

◯

東日本大震災(東北地方太平洋沖地震) 2011 年 3 月

介在物が粒内 a 変態核として機能するメカニズムとして11日午後 2 時 46分，三陸沖を震源とするマグニチュード 9.0

は，介在物/母材 g の熱膨張率差により生ずる歪，格子整合の巨大地震が発生．巨大津波が東北・関東の太平洋沿岸を襲性，また，Mn 欠乏層の生成が議論されている．例えば，鋼った．巨大津波に襲われた福島第一原発は外部電源，非常用中の Ti 酸化物は Mn を吸収して，その周囲に Mn 欠乏層を電源等を喪失， INES(国際原子力・放射線事象評価尺度)の生成すると報告されている(33)．Mn 欠乏層の生成により， a

評価レベル 7(チェルノブイリ原発事故と同等)の原子力事故

変態の駆動力が増大し，変態を促進すると考えられる．

となった．クリーンエネルギー源としての原子力発電の風向
きは，この日を境に大きく変化した．クリーンで発電コスト

.

この年間に起きた社会基盤用鋼材が関わる出来事が低いというメリットの一方で，放射性廃棄物の再処理・最終処分の問題，事故発生時のリスク等を抱え，適正な原発依2005 年からの 10 年間は，特にエネルギー経済・政策にお

存度に向けた検討が進められている(35)．

特

集


◯

東京スカイツリーをはじめとする大型建造物2012

ーンなエネルギーの持つポテンシャルを最大限に引き出し，

てりあ，44(2005), 148.
( 3 ) 長尾彰英，伊藤高幸，小日向忠JFE 技報，18(2007), 29.
( 4 ) 長尾彰英，林 謙次，大井健次，伊藤高幸，平田健二まてりあ，47(2008). 93.
( 5 ) 植田圭治，遠藤 茂，伊藤高幸JFE 技報，18(2007), 23.
( 6 ) 植田圭治，鈴木伸一，三田尾眞司，伊藤高幸，衣川照久まてりあ，48(2009), 26.
( 7 ) 遠藤 茂，中田直樹JFE 技報，33(2014), 1.
( 8 ) 井上健裕，大谷 潤溶接学会誌，79(2010), 714.
( 9 ) T. Inoue, et al.: Proc. ISOPE 2006, (2006), 132.
(10) Y. Yamaguchi, et al.: Proc. ISOPE 2010, (2010), 71.
(11) T. Handa, et al.: Proc. ISOPE 2010, (2010), 88.
(12) T. Inoue, et al.: Proc. ISOPE 2010, (2010), 95.
(13) 田村栄一，南二三吉材料とプロセス，21(2008), 564.
(14) 西村公宏，半田恒久，橋本正幸JFE 技報，18(2007), 18.
(15) 半田恒久，久保高宏，安田功一「構造材料の強度と破壊」シ
ンポジウム，日本鉄鋼協会，(2006), 13.
( 16 ) 白幡浩幸，皆川昌紀，井上健裕，大谷 潤，船津裕二まてりあ，51(2012), 76.
(17) 日本鉄鋼協会生産技術部門ふぇらむ，14(2009), 272.
(18) 金子雅人，谷徳孝R&D 神戸製鋼技報，61(2011), 2.
(19) 豊田政男第 163・ 164回西山記念技術講座，日本鉄鋼協会，(1996), 19.
( 20 ) 日本建築センター鉄骨梁端溶接接合部の脆性的破断防止ガ
イドライン・同解説，(2003年 9 月)．
(21)「先端技術による新しい鋼構造建築システムの開発」，「建築構造用溶接材料と溶接接合部性能評価法の確立」最終報告書，
建築研究所，日本鉄鋼連盟，日本溶接協会(2002).
(22) 大森章夫，志村保美ふぇらむ，16(2011), 730.
( 23 ) 国土技術政策総合研究所高強度等の革新的構造材料を用いた新構造建築物の性能評価手法の開発，国土技術政策総合研
究所プロジェクト研究報告第32号，(2010).
(24)「革新的構造材料を用いた新構造システム建築物研究開発プロ
ジェクト」成果報告書，新都市ハウジング協会，日本鋼構造協会，日本鉄鋼連盟，(2009).
( 25 ) 川 畑 友 弥 ， 白 崎 吉 衛 ， 多 賀 謙 蔵 ， 福 正 聡  鉄 構 技 術 ，2011.7 (2011), 31.
( 26 ) 澤口孝宏 SAT テクノロジー・ショーケース 2015, ( 2015 ) ,120.
( 27 ) 鈴木伸一，大井健次，一宮克行，木谷 靖，村上善明まてりあ，43(2004), 232.
( 28 ) 金沢正午，中島 明，岡本健太郎，金谷 研鉄と鋼， 61(1975), 2589.
( 29 ) 弟子丸慎一，平井征夫，天野虔一，上田修三，上村尚志，坪田一哉川崎製鉄技報，18(1986), 301.
( 30 ) 児島明彦，植森龍治，皆川昌紀，星野 学，市川和利まてりあ，42(2003), 67.
(31) 児島明彦ら新日鐵技報，380(2004), 2.
( 32 ) 森 影 康 ， 大 井 健 次 ， 川 畑 文 丸 ， 天 野 虔 一  鉄 と 鋼 ， 84
(1998), 510.
(33) 重里元一ら材料とプロセス，16(2003), 1532.
(34) 毎日新聞，2010年 5 月29日．
( 35 ) 例えば，エネルギー白書2016，第一部 エネルギーを巡る状
況と主な対策，第二章 東日本大震災・東京電力福島第一原
子力発電所事故への対応とその教訓を踏まえた原子力政策のあり方， 2. 原子力社会政策の具体的な課題と取組，資源エネ
ルギー庁，(2016), 93.
( 36 ) 日 経 ビジ ネス オン ライ ン ， business.nikkeibp.co.jp / article /report/20120614/233354/, (2012).
(37) 中村 潤，浄徳佳奈ふぇらむ，21(2016), 6.

安心・安全を確保する社会基盤用鋼材の重要性は，益々高ま★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

ると考えられる．今後10年の更なる進化に期待したい．

1985年

年 5 月，自立式電波塔としては世界一となる高さ 634 m の東京スカイツリーが開業した．東京タワー( 1958 年竣工，
高さ 333 m )に用いられた鋼材は，軟鋼( YP 235 MPa 級)であり，接合はリベットであった．これに対し，東京スカイツ
リーに用いられた鋼材は主に YP 400, 500, 630 MPa 級の高張力鋼管であり，接合は溶接である．東京スカイツリー
の中心に位置する高さ 375 m の心柱(鉄筋コンクリート造)と塔体(鋼管トラス)はオイルダンパーで柔らかく連結されており，地震時に心柱と塔体は別々に動いて，揺れを大幅に抑えることができる(心柱制振構造)．実際，ゲイン塔(頂上に位置する大型鋼管トラス構造物)を高さ 625 m に引き上げる
作業中に東北地方太平洋沖地震に見舞われたが，怪我人や大きなトラブルは発生せず(36) ，地震から 1 週間後の 2011 年 3
月 18 日に高さ 634 m に到達したことには，驚きと賞賛を禁じ得ない．他にも，東京ゲートブリッジ( 2012 年)，虎の門
ヒルズ( 2014 年)など，大型建造物が相次ぎ竣工し，都市機能の向上に大きく貢献している．
2020 年の東京オリンピックに向け，大型建築構造物の建造は引き続き進むと予想される．大型構造物を可能にする高性能鋼材の開発は，私たちの都市生活に夢を与え，豊かにしてくれる．一方，自然災害等による構造物の破壊は，都市機能の麻痺を招き，都市生活における安心・安全を脅かす．また，メキシコ湾での原油流出事故や，ナホトカ号の重油流出事故のように，特にエネルギーに関わる構造物の破壊は，おびただしい自然環境破壊をもたらす場合もある．フェール・
セーフが機能する構造設計とともに，耐破壊性能に優れた高性能で経済的な鋼材の開発が今後も求められる．

.

お わ

り

に

2014 年 12 月，燃料電池車の一般販売が開始された．燃料

電池車の普及に向け，水素ステーションの整備が急務となっている．水素ステーションの高圧水素配管として，現在認可されている SUS316L を用いると，厚肉で大きな外径が必要になる．この課題に対し，TS≧800 MPa の高強度，Ni 当量(＝ Ni ＋ 0.35Cr ＋ 0.98Mo ＋ 1.05Mn ＋ 0.35Si ＋ 12.6C )≧ 32 (－ 40 °
C 以上の温度域で使用される鋼材に要求される Ni 当
量≧28.5)，かつ，溶接可能な鋼材が開発された(37)．
CO2 排出低減に向けて，エネルギーの輸送，貯蔵様態も今後，様々に変化し，従来にない使用環境に対応する社会基盤用鋼材のニーズも次々に現れると予想される．安全でクリ

文献( 1 ) 三田尾眞司第 209 ・ 210 回西山記念技術講座，日本鉄鋼協会，(2012), 63.
( 2 ) 長尾彰英，大井健次，三田尾眞司，梶田恭之，杉岡正敏まま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan東北大学大学院工学研究科修士課程修了
後，日本鋼管株式会社に入社
1993年 博士(工学)(東北大学)
1993
1995年 米国 NIST 客員研究員
2003年 JFE スチール株式会社スチール研究所
2014年 現職
◎主に金属材料のミクロ組織と力学特性に関する研究
に従事．
三田尾眞司

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★



軽金属プロセス全般に関わる
3D プリンターの変遷と展望
岡

.

緒

根

利

光

言

積層造形技術は， CAD データを元に一層ずつ繰り返し積
み上げて造形する手法で， 3D プリンターとも呼ばれている．従来の加工プロセスの制約にとらわれず，複雑な 3 次
元形状を一体で作成可能なプロセスである．
図1

ここ10年では低価格の 3D プリンターも発売され普及が進

3D プリンターの種類．

み，クリス・アンダーソンが著書「 Makers」で示したパー
ソナルなものづくりへと展開されることが期待される一方，プリンターのプロセスを材料別，プロセス別に分類した図で3D プリンターによるものづくりの変革を目指す産業用途のある(1)．

積層造形装置も進化が著しい．従来の試作，形状確認，機能

3D プリンター技術の嚆矢となった光造形技術から始ま評価といった用途から，金型としての活用や工業部材の製造

り，シート積層法(LOM)，溶融堆積法(FDM)などがこれまなど，生産技術への展開が図られている．

での RP 用途における代表的な技術であった．これらの技術

2012年のオバマ大統領の演説とともに Additive Manufacturing による米国の競争力を強化する組織である America

では，近年基本特許の保護期間終了に伴い，低価格な装置の普及が進んでいる．

Makes が設立され研究開発が加速するとともに，欧州，そして日本でも「三次元造形技術を核としたものづくり革命プ

. RP から AM へ

ログラム」，「戦略的イノベーション創造プログラム(SIP)」
による開発が進められている．
な お ， 名 称 に つ い て ， 積 層 造 形 ， Rapid

上述の様に，これまでは迅速試作技術として光造形法を中Prototyping

心に，樹脂素材を造形し，形状確認や設計上の機能評価に用(RP), Additive Manufacturing (AM)など様々に呼ばれていいられてきた．しかしながら，光造形では形状精度や表面粗るが本稿では 3D プリンターとして統一したい．

さでは優れるものの，光硬化性樹脂を使用するという制限から，射出成形樹脂やエンジニアリングプラスチックに比べて

. 3D プリンターの種類

強度が低く，実用部材としては用途が制限されていた．
近年は粉末を原料に加熱して溶融凝固させ，金属や樹脂の積層造形技術による 3D プリンターは，かつてはラピッド

3D 形状の最終製品を得る方法が著しく進化している．原料

プ ロ ト タ イ ピ ン グ ( Rapid Prototyping, RP ) と も 呼 ば れ ，の粉末を 50 mm から 100 mm 程度の厚みに敷き，その上か

1980 年に小玉博士が最初の特許を出願して 1987 年頃からアら最終形状の部分だけレーザーや電子ビームを照射して粉末

メリカの企業による実用化が開始された．図は様々な 3Dを溶融凝固させ，図に示すような複雑形状の造形物を得る

国立研究開発法人産業技術総合研究所 製造技術研究部門研究員(〒3058564 つくば市並木 121)
Progress and outlook of 3D Printers Related to Light Metal Processing; Toshimitsu Okane(National Institute of Advanced Industrial
Science and Technology, Tsukuba)
Keywords: additive manufacturing, 3Dprinting, powder bed fusion, directed energy deposition, casting, automotive, aircraft
2016年10月24日受理[doi:10.2320/materia.56.244]



特

集

の Prof. Beaman らによって報告されている(2)．続いて1989
年にドイツ EOS 社が設立され，金属粉末を直接レーザーにより溶融焼結(Selective laser sintering, SLS)・凝固(Selective laser melting, SLM)させる造形技術が開発された(3)．
1997年にはスウェーデン ARCAM 社が設立され，電子ビー

ムを熱源とする造形(EBM)が始められている．
上述の様に近年では高出力ファイバーレーザーの普及，金
図2

EBM プロセスで造形したチタン合金人工骨部材．

属粉末の品質向上や制御技術の発達により，密度がほぼ100の造形が可能になっている．加えて急速加熱・急速冷

却のプロセスであることから結晶粒微細化の効果もあり，鋳造品，一部では鍛造品を超える機械的性質が得られている(4)．
レーザー，電子ビームそれぞれの熱源の特徴から造形方
法，造形物にもそれぞれ特徴がある．電子ビームは，大出力・高速スキャン可能・真空中造形といった特徴から，造形
面全体を 700 °C ～ 800 °C 程度まで予熱した中で造形が可能で
図3

試作から製造へシフトする活用域．

あり，低い残留応力が特長である．造形速度，表面精度，造形品質，適応材料の広さ等その他の点については装置メーカ
ーのポリシーに負うところも大きいが，一般的に電子ビームことができる．この方法は，粉末床溶融結合(Powder

Bed

造形は，造形速度及び造形品質に優れている．

PBF )，加熱源の種類により SLM ( Selective laser

適用材料としては，電子ビーム，レーザーといった加熱源

melting)や EBM(Electron beam melting)等と呼ばれている．

の特長から高融点金属の溶融に向き，鋳造の難しい材料でかFusion,

従来は成形品の密度も低く，素材として十分な強度が得ら

つ高付加価値という点から軽量構造部材としての Ti 合金，れなかったものの，近年はファイバーレーザーの活用等によ耐熱部材としての Ni 基合金，生体適合材料としての CoCr

り，100近い密度が達成されるようになっている．それと合金による造形の実用化が先行して進められている．装置のともに鋳造品や射出成形品，一部では鍛造品，圧延材からの普及が進んだ近年では，自動車やその他の用途拡大を目指し

機械加工品などと比べても遜色ない材料特性(機械的性質，て Al 合金，Cu 合金の造形事例も報告されている．

疲労特性など)が得られている．

図は Ti 合金におけるレーザー，電子ビームの表面状態

このことは，金属や樹脂の 3D プリンター造形品が，そのを比較した物である．図 4 からもわかるように，造形物のまま実用部材に使えるようになることを示す．積層造形技術

表面性状は，素材の金属粉末の粒径及び積層ピッチに依存しの近年の大きなジャンプであり，現在注目されている一つのており，表面性状の向上は課題である．特に，例えば金型の要 因 で あ る ． そ れ に 伴 い 呼 称 も こ れ ま で の RP か ら AM

内部冷却構造など，後加工が不可能な内面に対しても，より(Additive Manufacturing，付加製造)へと変化している．

平滑な表面性状が要求される場合がある．マシニングセンタ

図は，定性的であるが，3D プリンター装置メーカーが考える用途の変遷を示す．これまでの RP 成形品では，デザイン確認，干渉確認等のモデリング用途から始まり，例えば冷却水路の設計において有効性を確認する等の機能評価・性
能評価，これらの用途が主であった．しかしながら， CADと融合して，積層造形中に加工を加えて内面を平滑化する技術が実用化されている(図)．


指向性エネルギー堆積法(Directed energy deposition, DED)の特徴

ビューアー，AR(仮想現実感)技術の進化によるモデリング

レーザーやアークを熱源として，金属粉末やワイヤー等のの補完，構造解析・流動解析 CAE 等の進化による試作前段

材料を供給しながら，選択的に溶融凝固させて堆積を繰り返でのスクリーニングや試作レスの試みも進んでおり，3D プ

して造形する方法が指向性エネルギー堆積( DED )法であリンターの従前の用途は将来減少することも懸念される．

る．代表的な例としてはレーザークラッディング， Laser

自ずと 3D プリンターには新たな用途展開が求められている．一つの方向性として，生産技術としての活用，即ち製品や部品製造への用途展開が期待される．

.



金属造形 3D プリンターの活用と課題

粉末床溶融法(PBF)の特徴

光造形の実用化に続き， 3D プリンターによる金属部材製造の試みも始められ， 1987 年テキサス大学オースティン校

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan

図4

SLM と EBM の表面状態の比較．



metal forming, LENS プロセスとして行われてきた．PBFに比べて表面粗さに劣るが，近年では粉末供給とレーザー，

工法置換による高性能化

シールドガスを同軸化したノズル開発が Fraunhofer ILT 研

従来鋳造品や鍛造，機械加工により製作していた部材に対究所によりなされ(Laser metal deposition, LMD)(図)(5)，

して金属造形 3D プリンターによる工法置換や形状付与によ加工機と組み合わせた装置が実用化されている．

り，例えば軽量化，高機能化，短納期，オーダーメイド，コ

加工と交互に造形することにより造形物内面の表面性状を

ストダウンを目指すものである．例として，航空機エンジン

平滑・高精度にできるほか，多種類の粉末を供給できるノズのブレード，ロケットのノズル，歯のクラウン，少量生産自ルを用いることにより局所的に材質を変化させる多層化の実動車の部材等が挙げられる(図)．

現が容易，配合を変化させながら造形することによる傾斜構

ここで求められるのは従前の装置における製造制約の縮小造化が容易，熱流の制御により造形が高速であるという特徴(高速化・大型化・高精度化・サポートフリー・材料選択のがある．

拡大・装置コスト・ランニングコストの低廉化)や信頼性のまた 近年， アー クを熱 源， 溶接ワ イヤー を材 料と し，向上(緻密化・高品質化・材料の品質向上・安定化)である．

MIG 溶接トーチを制御ステージと組み合わせて肉盛溶接を

特に信頼性の向上にあたっては，従前の部材と同等の機械的制御しながら堆積する造形方法も開発されている(6)．表面性

特性・信頼性が求められる場合も多く，欠陥発生に対して造状は上記と同様に PBF に比べて劣るが，アークの熱源が安形姿勢や形状依存性の影響の大きい本プロセスにおける価な点，様々な合金種の溶接ワイヤーが安価に供給されていCAE を駆使した設計ツールの確立が望まれる．同時に，CTる点，大型化が容易な点，造形が高速な点に特徴がある．

等の欠陥評価技術の高度化と連携も不可欠である．



金属造形 3D プリンターの課題と展望

この 10 年間の技術開発によりこれまで述べてきたような様々な技術が開発されて一部では実用化が進んでいる．今後も積層法については新たな原理での造形技術の開発と改良がそのためにも，粉体溶融のモニタリング及びその予測と制御技術，抜熱(凝固)の高速化と制御技術，熱応力の予測と制御技術等の研究開発が望まれる．


新たな形状及び材料特性の創出による新機能部材の開発進むとともに，活用先として様々な部材が開発され，更なる新たな形状に起因する機能付与や，高速凝固や凝固の異方実用化が進んでゆくと期待される．金属造形 3D プリンター性といった特徴を生かした新たな材料特性によりこれまでにの活用方法として大きく以下の 2 点が挙げられる．

無い機能部材創製を目指すものである．例として，ラティス
構造による断熱特性を生かしたロケット姿勢制御用噴射ノズ
ル，患者の負担を減らせる脊椎インプラント等を試作した例(図)が挙げられる．これまでの報告では，凝固組織は高速凝固に伴う微細な溶接組織となっており，より高速の領域である Absolute

図5

PBF と NC 切削加工複合化．

図7



LMD プロセスのための同軸ノズル．

工法置換による金属 3D プリンターの活用例．
(国立研究開発法人 宇宙航空研究開発機構・株式会社
由紀精密・株式会社コイワイ提供)

図8
図6

stability(7)には至っていないようである．即チタン製脊椎インプラント． (秋田県立脳血管研究センター脊髄脊椎外科診療部

部長菅原卓先生提供)

特集

ち今のところ凝固速度としては拡散が支配する領域であり，これまでの基本的な理論が適用できる範囲である(7)．その上

インクジェット砂型積層造形

で展伸材，鋳造材の枠組みを超えた金属 3D プリンターに適砂を積層し，その上にバインダを選択的にインクジェット

した新たな材料開発とその組織制御による新たな機能発現として積層造形するバインダジェット法(BJ)による 3D プリン

理論構築が期待される．

ター鋳型造型技術が実用化されている(図)(8)．

上記の研究開発に加えて少量で高品質の粉末を製造できる

通常の砂型鋳造の鋳型では，多数の模型から転写して組み合金開発環境を整えるとともに，場所毎に合金組成を変化さ合わせて鋳型とするのに対し，3D プリンターによる鋳型のせる複層化・傾斜組成・構造化技術，高温度勾配・高速凝固

造形では一体化して造形できることから，迅速生産，より複下における凝固組織予測と制御に関する研究開発が望まれる．

雑な形状の実現，鋳型精度の向上による薄肉軽量化の実現に効果がある．

.


鋳造技術における 3D プリンターの活用

本造形技術のもう一つの特徴は，熱プロセスではなく，ビーム走査が不要なことから装置の大型化が可能なことと，他

模型と鋳型の製作の積層造形技術に比べて100倍もしくはそれ以上の高速化が大量生産を目指した軽金属プロセスとして鋳造での 3D プ
リンター活用にも触れておきたい．鋳造とは，金属を溶解可能な点である．
将来的な展望として，現在の主な課題は更なる高速化であし，鋳型に注湯・凝固させることによって，目的の形状に成る． 3D プリンターの複雑形状を生かした鋳造品を月産数千形する加工方法である．軽金属においては自動車エンジン，～数万個，大量生産する計画が示されている．図の例では航空機部材等，輸送機器を中心に用いられている．鋳造のプ

大型の装置内に約650個のターボチャージャー用鋳型が含まロセスでは，製品と同形状の模型，模型から鋳型，鋳型かられている．高速化により造形～鋳造が 1 日で完了するサイ鋳造品へと，型を利用して型を作り，複数回の転写工程を経クルタイムにより上記目標は実現可能であり，それを目指して鋳造品を製作する． 3D プリンターが目指す， 3D データ
からの直接・迅速造形，複雑形状の一体成形などの特徴は，いずれの段階の型の製作においても有効である．そのため，鋳造と 3D プリンター技術の親和性は高く，その黎明期から活用されてきた．


精密鋳造

精密鋳造はチタン合金など高融点金属の鋳造に適した技術であり， Ni 基合金の一方向凝固・単結晶材は耐熱性に優れ，航空機エンジンのブレードに用いられている．通常は金型もしくはゴム型を用いてワックス型を取る．さらにワック

図9

光造形による模型と精密鋳造品．

ス型から鋳型，鋳型から鋳造品を製作する．精密鋳造のワックス型もしくはその代替品を 3D プリンターで製作することが行われており，マテリアルジェット法によるワックス材の直接造形，図に示すような光造形法を用いたワックス型代替品の製作が行われている．金型を用いないことから，アン
ダーカットのある形状の成形，金型コスト低減，リードタイ
ム低減が可能である．
図11

図10

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan

積層造形砂型の量産対応．

バインダジェット法による砂型積層造形．

で，その活用範囲は広大であり，今後の益々の発展を期待したい．
本稿では，株式会社コイワイならびにシーメット株式会社
より貴重な造形品の写真を提供いただいた．ここに深謝の意
を表する．

文

図12

シリンダヘッドとシリンダヘッド鋳型．

て現在開発が進められている．
自動車では，燃費及び走行性能の向上を目的に，車体の軽量化，エンジン自身の効率向上，パワーステアリング電動化，ダウンサイジングターボ， HEV/PHEV/EV/FCV 化等が進められており，いずれも鋳造品が中核部材として用いられている．
図は，乗用車用エンジンのシリンダヘッドの鋳型を試作した例である．特に，冷却水の流路を形成するウォータージ
ャケット中子では，燃焼室を取り囲むような配置と鋳造品の薄肉化により，効率の向上，軽量化，コンパクト化が図られる．今後，装置の高速化により月産数千台への適用が実現
し，一般量産車への適用も期待される．

.

結( 1 ) K. V. Wong and A. Hernandez: A Review of Additive
Manufacturing, ISRN Mechanical Engineering, (2012), 10.
( 2 ) C. R. Deckard, J. J. Beaman: Recent Advances in Selective
Laser Sintering, Proc. 14Conf. on Prod. Res. and Technology,(1987), 447
451.
( 3 ) U. Behrendt and M. Shellabear: The EOS rapid prototyping
concept, Computers in Indusny, 28(1995), 5761.
( 4 ) 漆崎幸憲，上出義和金属光造形複合加工法による機能射出成形金型製作 SOKEIZAI, 53(2012), 9, 48.
( 5 ) I. Kelbassa, P. Albus, J. Dietrich and J. Wilkes: MANUFACTURE AND REPAIR OF AERO ENGINE COMPONENTS
USING LASER TECHNOLOGY, Proceedings of the 3 PacificInternational Conference on Application of Lasers and Optics,(2008).
( 6 ) 村田秀和アーク溶接金属 3D プリンタによる造形事例，公益財団法人溶接接合工学振興会 第27回セミナー資料．
( 7 ) W. Kurz: Solidification MicrostructureProcessing Maps: Theory and Application, ADVANCED ENGINEERING MATERIALS, 3(2001), 7, 443.
( 8 ) 岡根利光ら砂型積層造型装置の開発，日本鋳造工学会第166回全国講演大会講演概要集，(2015).
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

言1990 年 3 月

3D プリンターによる工法置換，新たな形状及び材料特性の創出による新機能部材の開発により，従来のプロセスにとらわれない形状への設計革新，さらには材料転換，プロセス転換が期待される．各国で現在進められている各プロジェク
トの成果も現れてくるであろう．少量生産から大量生産ま



献

岡根利光

東京大学大学院工学系研究科修士課程修了
1990年 4 月 株式会社ニコン入社
1993年 4 月 東京大学工学部金属工学科 助手
2000年 4 月 博士(工学)取得 論文博士・東京大学
2002年 4 月 現職
専門分野凝固組織形成，鋳造技術◎凝固組織形成およびその予測に関する研究に従事．
3D プリンターの鋳造への適用を中心に活動．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

特集

透過電子顕微鏡法の最新技術動向と将来展望(電子分光)
武

藤

俊

介

動量が±1 だけ異なる遷移のみが許される．デルタ関数部分

.

は じ

め

に

は特定のエネルギー準位のときのみ値を持つので， XAFS
または EELS の内殻準位励起スペクトルは，選択則を満た

透過電子顕微鏡(TEM)に付随する各種の分光技術は，収す非占有軌道(伝導帯)状態密度(部分状態密度PDOS)にほ差補正技術によって原子サイズにまで絞った電子プローブをぼ対応し，励起元素の周囲の化学環境を敏感に反映した微細試料上で走査するデジタル技術(走査 TEM(STEM))の進展構造を示す．また XAFS における入射 X 線の偏光ベクトルとともに，さらに原子レベル分解能での材料物性可視化ツー

e は EELS における運動量移送ベクトル q (回折面上におけルへと変貌しつつある．

る透過波(逆格子点原点または入射波数ベクトル ki )から検

本稿では上記のような現状を踏まえ，高エネルギー電子を出器位置(非弾性散乱電子の波数ベクトル kf )へと張られる利用した S/TEM電子エネルギー損失分光法(EELS)によるベクトル(2))と等価である．この対応関係から， XAFS にお

ナノ領域化学結合状態解析の基礎とともに，中でも最近進展

ける偏光を利用した各種電子状態測定(電子状態の異方性や著しい磁気角運動量測定に焦点を絞って現状と未来展望を概後で述べる磁気角運動量測定)を S/TEMEELS を利用して観する．

サブナノメートル領域で行うための実験配置を設定できる(3)．

.






TEM
EELS 分析の現状

STEM による原子コラム毎分析と動力学的電子回折効果

X 線吸収分光法との比較

本特集の次章で詳細に取り上げられると思われるが，収差

EELS による分光を考察するに当たり，まず同じ固体内電補正技術の開発によって電子プローブサイズが 0.1 nm 以下

子遷移を取り扱う X 線吸収分光法( XAFS )と比較しよう．

にまで絞ることが可能になったため，原子コラム毎分析が可次式で表される XAFS 吸収断面積(1)

能となった．ただし原子コラム像を取得できる低次晶帯軸入sXAFS＝2phav∑|cf|e･r|ci〉|2 d(Ef－Ei－E)

(1)

i, f

射条件では動力学散乱に伴う電子波の広がり(デチャネリン
グ)のために，ある程度以上(構成元素によるがおよそ 20 nm

に対し，EELS では小角散乱近似(q≪1 または双極子近似以上)の厚い試料から得られたスペクトルマップは，必ずしq･r≪1)の範囲内で，非弾性散乱微分断面積(2)

も各原子コラムの情報の直接投影となっていない(4)．EELS
ではさらに損失エネルギーの大きさと検出器の張る取り込み&2s 4(1－b2) kf＝∑|cf|q･r|ci〉|2 d(Ef－Ei－E)&E&Q
a20 q4k i i, f＝4(1－b2) kf
S( q , E )a20 q4ki

立体角に依存する電子状態の「非局在効果｣(5)によって原子(2)レベル元素マップの解釈には注意が必要である．
電子波動関数がブロッホ波として試料中を伝播する様子

によってスペクトルプロファイルが表される．ここでは詳細

は，回折条件(電子入射方向)によって目まぐるしく変化すには触れないが，二つの式の電子遷移確率を表す行列要素はる．このような電子チャネリング現象を積極利用する定量分

同じ形をしていることに注目していただきたい．これは双極

析法は Atom Location by ChannellingEnhanced MIcroanay-

子遷移選択則を表し，始状態と終状態の波動関数の軌道角運

sis ( ALCHEMI )法(6) と呼ばれ，その後装置の自動化に伴っ名古屋大学未来材料・システム研究所 高度計測技術実践センター教授(〒4648603 名古屋市千種区不老町)
Current Technology Trends of Transmission Electron Microscopy and Their Future Perspective (Electron Spectroscopy); Shunsuke
Muto(Advanced Measurement Technology Center, Institute of Materials and Systems for Sustainability, Nagoya University, Nagoya)
Keywords: scanning/transmission electron microscopy, electron energyloss spectroscopy, spectral imaging, multivariate analysis, dynamicalelectron inelastic scattering, chemical state analysis, electron magnetic circular dichroism, electron channeling2016年 3 月24日受理[doi:10.2320/materia.56.249]

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japanてさらに洗練化された High Angular Resolution Electron

一 次 結 合 が 実 現 し ， ま さ し く XMCD と 等 価 な 状 況 と な

Spectroscopy ( HARECXS )法へと発展る(14)(15)．このように複数の q がある場合，式( 2 )の動的構

し(7)，エネルギー分散 X 線分析( EDX)と組み合わせた置換

造因子 S(q, E)は混合動的構造因子(MDFF)S(q, q′, E)と呼型格子欠陥の原子サイト占有率の正確な導出に威力を発揮しばれる(16)． q が小さいときに双極子近似(16)が成り立つこと

ChanneledX rayた(7)(9)．この手法はさらに EELS 利用によるサイト選択的を利用すると，図 1 の配置での MDFF は次式のように簡略

電子状態分析に拡張されている(10)(12) ．原子コラム毎の元化される(17)

素/状態マッピング法に比べ，収差補正機を必要とせず，比較的厚い試料での定量分析に適している点で，目的に応じてそれぞれ相補的に使い分けたい．

)z Mz(E)S( q , q ′, E)∝q･q′N(E)＋i(q×q′(3)

ここで E は損失エネルギー，N(E)および Mz(E)はそれぞれ非磁性スペクトル(たとえば遷移金属の L2,3 ホワイトライン)および EMCD 信号である．ただし測定試料は TEM 内.


混合動的構造因子とナノ領域磁性の測定

電子磁気円二色性による磁気角運動量測定の発展経緯の対物レンズ磁場(光軸方向，z 軸にとる)によって磁化飽和していると仮定している．式( 3 )右辺第二項から図 1 のよ
うな実験配置が EMCD 信号を最大化することがわかるが，

円偏光 X 線によって内殻電子遷移の磁気量子数に対する式( 2 )においてスペクトル強度自体は q－4 に比例し，検出選択則が生じることを利用した磁気角運動量(軌道角運動量

器位置が逆格子点(ブラッグ反射位置)から離れるにしたがいとスピン角運動量)測定は，右回りと左回りの二つの円偏光

急速に減衰する．このような実験配置を今では Intrinsic まによる XAFS スペクトルの差をとることから X 線磁気円二

たは Classical EMCD 測定法と呼ぶ．

 節で述べたように，色性(XMCD )と呼ばれている(13) ． 2.

図に具体的なスペクトル例を示す．二つの検出器位置か

TEMEELS では等価な測定を二つの運動量移送ベクトルをら取得した鉄の L2,3 端吸収スペクトル( 2p 内殻準位から 3dもつ非弾性散乱電子を位相干渉させることによって実現でき非占有状態への遷移)には， L3 および L2 ピークの相対強度

る(14)(15) (これを電子磁気円二色性または電子磁気カイラル

変 化 が 生 じ て い る ． こ の 二 つ の ス ペ ク ト ル の 差 Ds が二色性( EMCD )と呼ぶ)．収差補正 STEM プローブを利用

EMCD 信号である(15)．この二色性スペクトル Ds＝m＋－m－

した測定によって結晶粒界，析出物界面などのサブナノ領域に次のような総和則を適用して，軌道角運動量とスピン角運での磁性測定が期待される．

動量を定量的に求めることができる(18)

フォトンの左右旋回円偏光ベクトル演算子は，大きさが等しく互いに p / 2 位相のずれた二つの直交する偏光ベクトルを基底とする一次結合 ex ± iey で表現される．これと等価な状況を作り出すために，図に示すように結晶試料を入射電

ff
f

DsdE－2

L3

DsdE＝KL2( 23 m ＋ 73〈T 〉)

DsdE＝K

L 3＋ L 3

S

Z

1
mL
2

(4)
(5)

子に対して二波励起条件(一つのブラッグ反射が強く励起さここで mL，mS，〈Tz〉はそれぞれ軌道角運動量，スピン角運れる条件)に設定し，透過波とブラッグ反射スポットを直径

動量および磁気双極子モーメントの期待値の磁化軸方向の成と する円( Thales 円)の上に EELS 検出器の入 射絞りを置分を表し，係数 K は動力学的電子回折を通じて試料厚さにく．運動学的近似では透過波に対してブラッグ回折波は位相依存する項である．立方対称性を持つ結晶では〈 Tz 〉は消失

が p/2 ずれており，各反射から Thales 円上の検出器へ向かし，式( 4 )と式( 5 )の比をとって複雑な動力学項を相殺しう運動量移送ベクトルは直交するので， qx ± iqy(複号は図 1た軌道角運動量とスピン角運動量の比 mL/mS を実験スペクの q1 ＋ q1 ′に対応する)という運動量移送ベクトルの, q2 ＋ q2 ′トルから定量的に求めることが通例である．
EMCD 測定の初めての原理検証実験以来(15)10年が経過す

図 1 EMCD 測定のための実験配置模式図．Mz は試料の磁化方向を示す．二つの検出器位置 A, B から得られたスペクトルの差を取る．



図 2 図 1 の二つの検出器位置で得られた BCC 鉄の実
験スペクトル( m＋, m－ )，およびその差をとって得られる EMCD 信号 Ds(20)．

特集

るが，その歴史はノイズに埋もれた小さい信号強度を検出す

EMCD 測定は新たな展開を迎えつつある．式( 3 )に従ってるための戦いと言っても過言ではない．上記の EMCD 測定

分布している回折面(逆空間)の任意の場所でのスペクトル

原理は運動学的近似に基づいたコヒーレントな電子位相干渉は，式( 3 )を非磁性信号強度(一般にはスペクトルの高エネに拠っている．したがって実際の試料では動力学的電子回折

ルギー側バックグラウンド強度)で規格化することによって効果によって EMCD 信号強度およびその回折面上の分布は)Mz(E)
S(q, q′, E)∝N(E)±f(q, q′(6)

複雑に変化する(17)．図( a)に異なる試料厚さの BCC 鉄のと単純化される．ただし f は回折面座標に依存する一価関数

200 反射二波励起条件における EMCD 信号の回折面上の分である．そこで Classical 法で回折条件および検出器位置を布を示す(19)．また図 3 (b )には L3 吸収端位置でのピーク強厳密に制御した一対のスペクトルから EMCD 信号を取り出度に対する EMCD 信号強度割合を試料厚さの関数として示す代わりに，回折面上の任意の位置で取得した多数のスペク

す(20)．電子位相は動力学散乱(多重散乱)の影響を受けるた

トルの差スペクトルを積算して磁気信号の S/N 比を上げる

め，磁気信号強度は試料厚さに対して振動的振る舞いを示ことが発案された(20)．

す．実際に Classical EMCD 法で定量的な測定をするためにさらに EMCD の利点を最大化するためには高い空間分解は使用するブラッグ反射の消衰距離の半分以下の試料厚さが能での磁気角運動量の定量的空間マッピングを実現させるこ望ましい．

とが重要である．我々のグループでは磁気トンネル接合

このような厳しい制限の下でナノメートル領域の定量測定(MTJ)を模擬した MgO(100)基板上 BCC 鉄エピタキシャルのための理論・実験両面における様々な努力が続けられ，磁蒸着膜の断面試料のナノビーム STEM EMCD 法による磁性多層膜(21)および磁性微粒子の測定(22)，エネルギーフィル

気角運動量空間マッピングを試みた(25) ．図にその測定配

ター電子回折データからの信号抽出(19)(23)，高い加速電圧の置の模式図を示す．詳細は刊行論文に譲るが(26)，1 nm 径の利用による動力学回折効果の抑制(図 3 (b)参照)(24)などの結電子プローブを 2 nm 間隔で試料上を走査し， Robust Prin-

果が報告された．しかし XMCD 測定に比べ未だ一般に普及

cipal Component Analysis(RPCA)(27)と呼ばれる統計解析法

した技術といえるほどには定着していない．

によって二つの検出器位置で得た FeL2,3 ホワイトラインデ



EMCD 測定の新たな展開

最近の洗練された統計的情報抽出法の進展(19) により，ータのノイズ除去および信号抽出を行った．最終的に総和則
式(4)，(5)を適用して求めた mL/mS 値の空間分布を図に示す．ここで重要なのは Fe/MgO 界面付近で mL/mS 値が有意に上昇していることである．密度汎関数理論( DFT )を拡張した Dynamical Mean Field Theory(DFTDMFT)(28)に基づく Fe/ MgO 界面での磁気角運動量のシミュレーションと比較すると，鉄原子と酸化物基板の界面での相互原子混合の無いシャープな界面のみが実験結果をうまく説明することが示された(25)．

図 3 ( a ) BCC 鉄， G ＝ 200 の二波励起条件での回折面
上の EMCD 信号強度の試料厚さ依存性．試料厚さは各図の右上隅に表示．(b)加速電圧 100 kV および 200 kVに対して理論計算された EMCD 信号強度の試料厚さに対する変化のプロット(20)．各ラインは逆空間上の異なる位置に置かれた検出器に対応する．ただし(1, 0)は逆空間上の(G, 0)位置を表す．

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan

図 4 BCCFe/MgO 基板エピタキシャル多層膜の断面のナノビーム STEMEELS スペクトラムイメージによる EMCD 測 定 の 模 式 図 ． 二 つ の EELS 検 出 器 位 置( Chiral plus / minus )において同じ場所を二回走査する
ことで m＋ および m－ スペクトルのデータキューブが得
られる．







原子面分解能 EMCD 測定法の開発

微分散乱断面積の磁気信号成分は MDFF を使ってClassical EMCD 測 定 法 は ， XMCD 法 の 測 定 原 理 を

&2s
＝C 2∑
[2TG Im[S(q, q－G, E)]]
&V&E magnetick∈ Q ∪ Q

TEMEELS 法に焼き直したものと捉えることができるが，＋∑ C 2[2sin(Dqk, G)

|

1

2

k∈ Q 2

現実の試料で図 1 に示したような回折条件，検出器位置な×Im[S(q, q－G, E)]]

どを正確に設定することは，平行電子照射および検出器取り＋(higher order terms)

込み角の制限を意味しており，空間分解能と信号強度に対し(7)てトレードオフの関係にある．しかし TEM /STEM の利点と表すことができる(29) ． TG は回折波ディスク G の透過係を生かしたサブナノメートル分解能 EMCD 測定のために

数 ， Im [ ] は の 虚 数 部 を 表 す ． 右 辺 第 一 項 は Classic

は，小さく収束させた高輝度電子プローブを使うことが必須

EMCD に対応する．一方右辺第二項はディスクの重なり部となる．
図( a )のような三波対称励起収束電子回折条件を考える．ここでも詳細は省くが，収束電子による回折ディスクの重なり合いによる位相干渉を利用する．このときの EELS

分の任意の点における二波干渉(位相差 Dqk･G)によって生じる磁気信号成分で，双極子近似のもとで
GM q∑ 2C 2 sin (GDx) q2(q2＋G 2z－y2qxG)(8)k∈ Q 2と書き換えることができる．式( 8 )から，回折面において
系統反射列 GOG の両側に符号の異なる強い磁気信号が広がり，その振幅は空間座標( Dx )に伴う正弦関数の形で正負に振動することがわかる．BCC 鉄の G＝110対称励起条件で収束角を最適化した場合について，図 6 ( f )に示した各電子
プローブの実空間位置に対する理論磁気信号強度の回折面上分布を(b)(e)に示す．これらから図(b)に枠線で示した位
置に矩形の検出器絞りを挿入してサブナノ電子プローブを走査すると，STEM 像(図 7(a))の一次元格子像に垂直な方向に正負の磁気信号を含むスペクトル( m＋, m－ )が順次現れ，
STEM 像のコントラスト極大位置から格子間隔の四分の一

ずれて磁気信号強度が正弦波振動することが予測される(図7(c))．このことは実験によって検証され，原子面分解能で

図 5 試料断面模式図(左)，最終的に得られた軌道角
運動量 mL/スピン角運動量 mS の比の空間分布図(中)および mL / mS 値のカラースケール(右)． MgO 基板との界面付近の値上昇に注目されたい．

図 6 (a)収束電子による G，O，G 対称三波励起条件での回折ディスクの模式図．領域 Q2 は透過波ディスクと回折波 G またはG ディスクと透過波ディスクとの重なり部分，領域 Q1 は透過波ディスクの重なりの無い部
分．(b)(e)ナノ電子プローブの原子面に対する相対位置に依存して変化する回折面上の理論 EMCD 信号強度分布．各図における実空間ナノプローブ位置は図( f)中の各座標位置と対応．



EMCD が定量的に測定可能であることを示した(29)．従来法

では検出器位置を変えた二回の測定が必要であったが，この手法では微小領域の一回の電子走査によって正負の磁気信号

図 7 (a)厚さ 20 nm の BCC 鉄試料において G＝110の三波条件で得られた ADF STEM 像．( b )電子回折図
形．赤枠部分に EELS 検出器の矩形絞りを挿入する．
(c)式( 8 )から予測される ADFSTEM 像プロファイルと EMCD 信号の実空間にける分布．

特集

スペクトルが同時に取得できる利点を持ち，将来は原子サイ
ト選択的な磁気角運動量測定へと発展する可能性を秘めている．今後さらに洗練された測定技術と統計情報処理との組み合わせによって EMCD の実用材への応用が進むであろう．
 節で触れた電子チャネリング効果と組み
この他にも 2. 合わせたスピネルフェライト材料の元素/サイト選択的EMCD 測定が注目される(30) ．また内田・外村(31) によって初めて実験的に生成された軌道角運動量を運ぶ新しい電子プ
ローブ「電子螺旋波」には大きな可能性が期待されている．
当 初 多 く の EMCD 研 究 者 が こ の 新 し い 電 子 プ ロ ー ブ をSTEM EELS に応用して高空間分解能 EMCD 測定を目指したが(32) ，残念ながら未だ真の意味で電子螺旋波によるEMCD 測定は成功していない．その理由は再び電子の試料中での動力学散乱効果にある(33)．

. 今 後 の 展 望
この分野はハードウェアおよびソフトウェアの技術革新が速く，次々と新たな試みが開拓されていくために未来予測は
 節で触れたように，原子コラム分解能
きわめて難しい．2.

での定量分析ではいわゆる弱位相物体近似を超えることは難
しく，実用的な厚さを持った材料へ広く適用するには動力学
的非弾性散乱理論による計算との比較検討を免れないであろう．すでに EELS/EDX の動力学回折条件下での散乱断面積
計算理論の枠組みはできあがっている(34)(35)．
紙数の制限上触れることができなかったが，装置の PC 制
御機能を最大限活用し，スクリプトプログラムによる洗練された自動データ収集法，およびそれらによってもたらされる
膨大なサイズのデータから情報統計学・機械学習法を用いてノイズ除去と信号抽出することが最近注目され始めている(36)(38) ．これらは従来の測定限界を超えて，微量元素の分析や高エネルギー電子線照射に耐性の弱い試料に対する低ドーズ分析への応用などにおいて本稿の主題である顕微分光法の将来に新たな可能性をもたらすものと期待している．また今やほぼ我が国の独壇場である超高圧電子顕微鏡による分析が欧米諸国でも今一度見直される兆しも垣間見える．
本稿で紹介した当研究グループの EMCD 測定法の開発研
究は，日本学術振興会・日本スウェーデン二国間交流事業(共同研究)の援助を受けた．

文

献Mater., 283287(2000), 952956.
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51.
( 7 ) T. Soeda, S. Matsumura, C. Kinosita and N. Zaluzec: J. Nucl.

武藤俊介

1986年 大阪大学大学院基礎工学研究科博士前期課程修了
1988年 大阪大学教養部物理学教室 助手
2004年 4 月 名古屋大学大学院工学研究科 教授
2013年 4 月 名古屋大学エコトピア科学研究所 教授
2015年10月 現職(研究所の名称変更)
専門分野格子欠陥，電子顕微鏡とその付随分光分析◎高エネルギー電子を用いた原子レベル構造解析および電子分光分析技術を中心に，ナノ物性測定とその可視化に従事．最近は機械学習法によるスペクトル
情報抽出に傾注．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan透過電子顕微鏡法の最新技術動向と将来展望(超高分解能イメージング)
幾

原

雄

一

電子線を偏向しては元に戻すという複雑な過程を繰り返しな

.

は じ

め

に

がら球面収差を補正することが可能となる(8)．このように回転対称な電子レンズでは不可能な収差補正を回転非対称なレ

今世紀に入って透過電子顕微鏡法の分解能は，球面収差補ンズを組み合わせることによって可能になることが提案さ

正装置の出現とあいまって飛躍的な向上をとげている．現時

れ，過去にも，4 極子レンズ，8 極子レンズ，6 極子レンズ，

点での走査透過電子顕微鏡法(Scanning Transmission Elec-

12 極子レンズなどの回転非対称なレンズの試作や検証が行

tron Microscopy, STEM)の分解能は 45 pm(1)，高分解能電

われてきたが，なかなかその実現には至らなかった．これ

子顕微鏡法(High Resolution Transmission Electron Micro-

は，レンズ設計の精度，加工技術，電気的安定度，など種々

HRTEM)の分解能は 44 pm(2)に達しており，いずれの複合的な問題に起因していたようである(5)．その開発の過も日本が世界記録を有している( 2016 年 12 月時点)．従来は

程で，Hawkes は 6 極子が負の球面収差を生み出すことを初

電子顕微鏡の分解能といえば HRTEM が主体で，1996年にめて指摘し(9) ，その後， Beck(10) と Crewe ら(11) が 6 極子を独の MPI が超高圧電子顕微鏡によって 1 Å の分解能を達成用いた球面収差補正を提唱したが，実用化には至らなかっ

scopy,

して以降，この値が長らく電子顕微鏡の最高分解能とされてた．しかし，1990年に Rose は，2 段の 6 極子レンズと転送きた．それまでの歴史的な変遷については既に多くの文献でレンズを組み合わせるという独自のアイデアにより最初に報告されているので(3)(6)，本報では，主に，今世紀に入っ

TEM 用の収差補正装置を考案し(12) ，これを基に， 1995 年てから普及したレンズ収差補正技術による分解能向上の変遷に CEOS 社の Heider らが実用可能な球面収差補正装置を初とそれに伴う技術革新，材料研究への応用ついて紹介する．

めて開発した(13) ．図 1 ( b )に Heider らによって開発された

さらに最近急速に進展しつつある，低加速電圧電子顕微鏡法

Rose 型 6 極子球面収差補正装置の模式図を示すが，現在各や微分位相コントラスト法の展開についても言及する．

社より市販されている収差補正装置のほとんどがこの方式となっている．一方，4 極子―8 極子収差補正装置(8)は，1999

.

収差補正電子顕微鏡の出現と分解能

年に Nion 社の Krivanek らにより STEM 用として開発された(14) ．これら一連の収差補正装置の原理および概要につい1990 年代に実現した収差補正装置の開発は電子顕微鏡分ては沢田ら(15)および阿部(16)による優れた解説に詳しく記載

野を大きく変革させた．しかし，そのアイデアは Scherzer

されているのでそちらを参照されたい．また，我国においてによって既に 1947 年に提案されていた(7) ． Scherzer は多極

は， 2008 年に，日本電子株式会社の Hosokawa, Sawada ら

子レンズを組み合わせることで球面収差が補正できることをが，二つの六極子場( 12 極子)レンズの厚さが異なり，転送提案している．図( a )に 4 極子と 8 極子レンズの模式図をレンズの焦点距離も異なる独自の収差補正装置を開発し，示す．図中， N 極と S 極が形成する磁場とそれにより電子

300 kV の TEM に 搭 載 す る こ と に 初 め て 成 功 し て い線が偏向(発散と収束)する方向(太い矢印)を示してある．こる(17)(18)．

の二つの多極子レンズを上手く組み合わせることによって，上述したように， Haider らは， 1995 年の論文で，グラフ

財 ファインセラミックスセンターナノ構造研究所主管研究員(〒113東京大学大学院工学系研究科総合研究機構教授，
8656 東京都
文京区弥生211
16)
Recent Technical Trend and Future of Transmission Electron Microscopy (Atomic Resolution Imaging); Yuichi Ikuhara(Institute ofEngineering Innovation, The University of Tokyo, Tokyo. Japan Fine Ceramics Center, Nagoya)
Keywords: STEM, spherical aberration correctors, atomic resolution, annular bright field, light element visualization, interface characterization
2016年 8 月 5 日受理[doi:10.2320/materia.56.254]



特

集

だけではあるが， Cs ＝ 0 を実証しており(13) ，収差補正の実Ge30Si70 [ 110 ]の 136 pm を分解する像であった．実際に 1

現という意味では， 1995 年が起点となっていると言える．

Å ( 0.1 nm )以下の分解能を最初に達成したのは， 2004 年の一方， STEM への応用を考えると， 1999 年の Krivanek ら

Pennycook らが示した Si [ 112 ]の 78 pm であると推定されの報告が最初と考えられ(14)，実際の STEM 像で分解能の向る が ， こ れ は Nion 社 の 収 差 補 正 措 置 を 用 い た 300 kV の上を示した(19) ．近年の STEM の優位性， STEM コレクタ

STEM 機( VGHB603U )で達成したものである(20) ．その後

ーと分析電子顕微鏡法の組み合わせによる発展を考慮すると，2007年に，日本の JST のプロジェクトで日本電子の沢田ら

STEM への収差補正の導入が，STEM のその後の革新的なが， GaN [211]で 63 pm の分解能を達成したが(21)，これは普及につながっていったものと思われる．

前述したように日本が独自に開発した収差補正装置を適用し収差補正装置の発展に伴い，分解能が大幅に向上したが，ている．しかし，米国は国家プロジェクト TEAM を推進し，

図に 2000 年以降の分解能向上のグラフを示す． 2002 年に2008 年にはじめて 分解能 50 pm を切る 分解能を実験像 のKrivanek のグループが，収差補正装置を STEM に導入する

FFT で確認し(22)，Ge [114]の 47 pm の観察で実証した(23)．

ことにより 1 Å(0.1 nm)以下のプローブが形成できる可能性

2009年には日本電子も同じ分解能を達成している(24)．それを示し， STEM が今後材料解析に極めて有用であることを以降最近まで，その分解能の更新はなされなかったが，示 し た(19) ． し か し ， こ の 論 文 で 示 さ れ た STEM 像 は2014年に東京大学・日本電子の研究グループは STEM では

現在でも世界最高分解能となる 45 pm を Si [ 114 ]のダンベ
ル構造を観察することによって達成している(1)(25) ．このように収差補正装置の発展に伴い，今世紀に入って飛躍的に分解能が向上してきたが，分解能競争はほぼ飽和しつつあるというのが現状である．一方，このような分解能の向上に伴い，これまでブラックボックスであった種々の材料現象や界面・粒界の原子構造が明らかになりつつあり，材料科学の分
野に大きなブレークスルーを与えて続けている(26)(29)．

.

STEM 法(HAADF と ABF)

STEM 法は，1 nm 以下に絞った電子プローブを試料上で走査し，各プローブ位置における散乱電子を試料下部の環状暗視野検出器(Annular Dark Field (ADF)detector)で収集
し，プローブの走査と同期させてモニター上に像を形成する
図1

収差補正装置の概要．( a ) 4 極子および 8 極子レンズによる磁場と電子線の偏向，( b ) 2 段の 6 極子レンズと転送レンズを組み合わせた収差補正装
置．

手 法 で あ り ， 1960 年 代 後 半 に Crewe に よ り 実 用 化 さ れた(30)(31)．この際，電子プローブを原子カラム間隔以下にまで絞り込むと原子分解能の像を得ることが可能となる．本手法の特徴は，デフォーカス及び試料厚みの変化に伴う像コントラストの反転現象が少なく，原子カラムの位置を像から直接決定できることにある．この優れた特徴は，特に粒界・界面や格子欠陥等の局所的に構造が乱れた領域の原子構造を決めるにあたって，非常に有用となる．また前述したように，
1990年代後半に， STEM 法をレンズ収差補正技術と組み合わされることにより，分解能が大幅に向上し，現在では0.05 nm(50 pm)を切るプローブ径を得ている(1)．
STEM 像は，結像に用いる散乱電子により異なるコント

ラストを呈する．図に STEM の概略を示す．電子銃からでた電子線が，電子レンズ(対物レンズ)によって，試料上にプローブを形成する．この際，収差補正装置を用いると 0.1
nm 以下の極細プローブを得ることができる．このプローブを試料上で走査させて像を得るが，試料を透過した電子線は
中間レンズ，投影レンズ系を経た後，電子線検出器によって検出される．検出器には，散乱された電子が入射するが，高図2

収差補正装置導入後の分解能の向上(2000年以降)
は FFT データによる．

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan

角度に散乱された電子線を検出する手法を HAADF ( High
Angle ADF ) STEM 法と呼び，原子番号 Z のおよそ 2 乗に




図3

図4

チタン酸ストロンチウム結晶の[ 110 ]方向からのSTEM 像．(a) HAADF STEM 像および(b )ABF
STEM 像．各挿入図は原子構造モデルとシミュ
レーション像(33)．

図5

チタン酸ストロンチウム結晶の[ 110 ]方向からの( a ) ABF STEM 像，( b ) Sr L 線マッピング像，(c)TiK 線マッピング像，(d)OK 線マッピング
像(東大 熊本らによる)．

STEM における HAADF と ABF 検出器の関係．

比例した像コントラストを得ることができる(26)(32) ．この際，検出する散乱角度を選択するために検出器は円環状の構成となっている(図 3)．検出器を低角度側に設定したときは弾性散乱電子が，高角度側に設定したときは熱散漫散乱(Thermal diffuse scattering: TDS)電子がそれぞれの像の強度を支配する(26)(32)．
上述したように， HAADF STEM では，検出器の内角を大きく(通常プローブ収束角の 2 倍程度以上)とり，高角散
乱された電子のみを選択的に検出するよう設定する．しかし，電子散乱能の小さい軽元素原子からの信号は非常に弱く，特に重い原子と隣接する場合，軽元素原子からの信号は
重元素原子からの信号により検出し難くなるため，HAADFSTEM 法は軽元素原子観察には向いていない．これを克服する観察手法として， 2009 年に東京大学と日本電子の共同研究グループは，環状明視野(ABF (Annular Bright Field))
STEM 法を提唱した(33)(35) ．図 3 には ABF STEM 観察における検出器の配置についても示している． ABF 法では，る(33)(35)．

検出器の外角をプローブ収束角と同程度に設定し，検出器内

一方，最近では収差補正 STEM 法とエネルギー分散型 X

角をその半分程度にすることで，明視野領域の透過散乱電子線分光法(Energy Dispersive Xray Spectroscopy: EDS あるを選択的に検出するよう設定する手法である．図に，チタ

いは EDX)や電子エネルギー損失分光法(Electron Energy

ン酸ストロンチウム(SrTiO3)結晶を[110]方向から観察した

Loss Spectroscopy: EELS)を組み合わせることにより，原子(a)HAADF および(b)ABF STEM 像を示す(33)(35)．これよ

分解能での組成分析や状態分析も可能になってきている．そり，HAADF 像では，Ti 原子カラムと Sr 原子カラムは観察の一端は本特集号にも紹介されているので(本特集号武藤俊されるが，酸素原子カラムは観察できないことが分かる．一介氏の記事参照)，ここでは，原子分解能 STEM 法を EDS

方， ABF 像は，明視野像であるため， HAADF 像とはコン法と組み合わせて，局所領域の組成分布を原子分解能で分析

トラストが逆転しているが(原子カラムが黒く観察される)，した結果について示す．STEMEDS においては，大検出面

Sr および Ti の原子カラムに加えて，酸素原子カラムが明瞭積を有する Si ドリフト検出器(SDD )の普及により原子分解

なコントラストとして観察されていることが分かる．図中に能での原子配列および組成分布の同時可視化が可能となっては結晶構造モデルおよびシミュレーション像も示している

きた．図は SrTiO3 の[ 110 ]方向からの ABF STEM 像とが，酸素原子カラムと Sr および Ti 原子カラム位置を各コ

これに対応する各 SrL 線，TiK 線，OK 線を用いてマッ

ントラストから直接同定できる．ABF STEM 像では，全てピングした像である．これより，ABF STEM 像中の暗コンの原子カラム位置が暗コントラストとして結像されることにトラストがどの元素に対応するかが明瞭に分かる．ただし晶なる． ABF 法の理論計算によると，特殊な条件下において

帯軸方向から観察すると，電子線のチャネリングにより，測は，その像コントラストが広範な元素に対しておよそ原子番定される X 線の強度は必ずしも定量的ではないことに注意

号 の 3 分 の 1 乗 ( Z1/3 ) に 比 例 す る こ と が 報 告 さ れ て い

する必要がある．



特

集

.

収差補正電子顕微鏡の普及と材料解析への応用

前述したように，収差補正装置の開発は， 1990 年代後半
からドイツ，米国で開始されたが，日本は開発当初で大きな遅れをとった．その結果， TEM も STEM も日本の電子顕微鏡メーカの収差補正装置には，ドイツ CEOS 社の Rose 型
6 極子球面収差補正装置が導入されている．現在でも 200kV 級電子顕微鏡のほぼ全てに CEOS 社の収差補正装置が搭載され市販されている．しかし， 1995年から 12年後の 2007

図6

( a )青色発光を示す単結晶の立方晶窒化ホウ素，( b ) HAADF STEM 像単原子状態で Ce が分散している様子が分かる．(c)(b)の拡大像ダンベ
ルの左側がやや明るく，左窒素，右ホウ素の原子位置を示している．丸で囲んだ明るいコント
ラストは Ce の原子位置を表しており，窒素サイ
トを占有している(42)．

図7( a ) LiCoO2 結晶の ABF STEM 像(リチウム原子
カ ラ ム が 観 察 で き る ) ， ( b ) YH2 結 晶 の ABF 
STEM 像(水素原子カラムが観察できる)．

年ではあるが，日本電子が，前述した独自の収差補正装置を開発し，300kVTEM に搭載した(17)．同社はさらに2009年，
3 段の12極子と転送レンズを高度に組み合わせたデルタ型収差補正装置を低加速電圧電子顕微鏡に搭載した(36) ．後述するが，低加速電圧電子顕微鏡では，電子線照射損傷を軽減することにより，カーボンナノチューブなどソフトマターへ適
用 で き ， 30 kV の 低 加 速 電 圧 に お い て も Si [ 110 ] で 0.136
nm の分解能を達成している(37)．

次に収差補正電子顕微鏡の材料への応用について述べる．
収差補正を用いた最初の報告は，1998年に，収差補正 TEM
で 初 め て CoSi2 / Si 界 面 を 観 察 し た Haider ら の 結 果 で ある(38) ．一方，収差補正 STEM による最初の観察は， 2002
年の Batson and Krivanek が金の微粒子を観察した論文であろう(19)．また，2004年には Urban らのグループが，負の球面収差を利用した HRTEM というユニークな観察法により，軽元素である酸素原子カラムの観察に成功している(39)．
一方我国における収差補正電子顕微鏡の最初の導入は，
2001 年から開始した文部科学省の科学技術振興調整費による研究課題“アクティブ・ナノ計測基盤技術の確立”にさか
財 ファインセラミックスセのぼる．本研究プロジェクトは，

ンター(JFCC)，名古屋大学，東京大学が連携した国家プロ＝ 58 )は重元素であるため， HAADF STEM 像では明るいジェクトであったが，これを起点として， 2002 年から 2005

原子像として映し出され，図 6 ( b )に示すように Ce が単原

年にかけて CEOS 社のイメージング収差補正装置が名古屋子状態でランダムに分布していることが明瞭に観察できる．

大学の 200 kV 透過電子顕微鏡(日本電子 JEM 2100F )に，


さらに高い倍率で観察すると，図 6 ( c )に示すように，◯

プローブ収差補正装置が東京大学の同型の 200 kV 透過電子

0.09 nm の距離に並んだホウ素( Z ＝ 5 )と窒素( Z ＝ 7 )のダン顕微鏡( 2100F )に導入された(5)(40)(41) ．それ以降， CEOS 社

 原子番号の近いホウ素と窒素がベルが分解していること，◯の収差補正装置を既存の電子顕微鏡に装着するという方式で

 添加された Ce はすべ
コントラストから区別可能なこと，◯

普及しはじめたが， 2008 年に日本電子が収差補正装置一体て窒素サイトを占有していることが確認できる(42)．さらに型の原子分解能電子顕微鏡( JEM ARM 200F )の市販に至EELS によるドーパント 1 個からの EELS 分析を行ったとり，現在までに我国において約60台，海外へは約100台が導ころ，窒素サイトの Ce は 3 価であることが分かった．一般

入され普及しているようである．一方 FEI 社は 2005 年の段に添加元素が陽イオンである場合，局所的な電気的中性を保階で既に TITAN 80 300 Series として収差補正装置一体型

つために陽イオンサイトを置換するが，観察された Ce は陰

商用機の販売を開始していた．

イオンである窒素サイトを置換しており， Ce 原子が安定にさて，本節では，現段階の収差補正 STEM でどこまで材存在するためには周囲に原子空孔が導入される必要があるこ

料の解析が可能なのかについて二つの代表的な例を紹介したとが予測される．系統的な第一原理計算によりその固溶状態

い．最初は結晶内の原子 1 個の観察が可能になったこと，を計算した結果， Ce と配位している 4 つすべてのホウ素が次に ABF による軽元素の直接観察について述べる．まず，原子空孔を作ることによって大きな空間を形成し，サイズの結晶内のドーパント一個の観察について， Ce をドープした

大きな Ce が窒素サイトに安定に固溶していることが明らか

立方晶窒化ホウ素( cBN )の観察結果について示す(42)．このとなっている(42)．

材料は青色発光を示すことが知られている(図(a))．Ce(Z

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan

一方，軽元素の直接観察についてであるが，多くの機能材

料は，酸素，炭素，窒素などの軽元素で構成されており，しいる(49)．

ばしば軽元素の挙動がその機能特性と密接に関係している．

一方，局所領域の電場や磁場を観察する手法としての微分上述した ABF STEM 法を用いることで酸素が観察される位相コントラスト( DPC )法においても大きな進展があっことは上述したが，ここではさらに軽い元素が観察できるかた．最近，柴田らは原子分解能観察対応の多分割 STEM 検

どうかについて述べる．まず原子番号 3 番のリチウム原子出器を開発し(50)(52) ，検出器上での位置・角度に依存したの観察に着目する．その観察対象としてリチウムイオン電池

複数の原子分解能 STEM 像を 1 回のスキャンにより同時計

材料を用いた．図(a)は，層状構造を有する LiCoO2 結晶中測することに成功している．このような検出器を用いれば，を[ 112̃0 ]方向から観察した ABF STEM 像である．強い黒入射電子のわずかな軌道変化を捉えることができ，原子レベ

コントラストを有するコバルト( Co 原子番号 27番)原子列

ルの電磁場を直接計測することも可能となり，原子構造のみに加えて，リチウム( Li 原子番号 3 番)原子列が酸素( O 

ならず電磁場の局所構造が解明できる．この原子分解能

原子番号 8 番)原子層の間に明瞭に観察されていることが分

DPC STEM 法は今後益々進展していくことが期待できる．

かる(43) ．この図は， 8 25 mrad の検出角度で観察した像で究極的には，化学結合状態や電子雲の直視も可能となることあるが，軽元素も重元素も同時に観察できている．図 7( b )が期待され，筆者は，5 年後には現在の多くの原子レベルのは水素化イットリウム(YH2)結晶を[001]方向から観察した解析が本手法にとって代わるものと予測している．

ABF 像である．YH2 は Y 原子による副格子が面心立方構造

.

を有しており，その四面体空隙を H が占有する構造となっ

ま

と

め

ているが，図に示すように， Y 原子間に存在する H 原子カラムの存在位置に弱い暗コントラストが観察されていること

本稿で は今世 紀に 入っ て大き な進 展があ った収 差補 正が分かる．このようなコントラストが H 原子カラムの存在

TEM および STEM によるイメージングを中心に，その歴に起因する信号に由来することは， Bloch wave 法によって史的経緯，分解能の向上，新しい観察法の登場，収差補正器

計算したシミュレーション像によって既に確認されていの急速な普及と材料科学への応用について，概観した．

る(44)．すなわち，図 7(b)の ABFSTEM 像は，水素原子カ

歴史的な記述もあるので，本分野に精通した複数の研究者

ラムが直接観察できていることを実証した像である．このよに年代の記述など，注意深く確認を頂いた．日本電子株式会

うに，ABFSTEM 法は軽元素の直接観察に優れ，現段階で社の沢田英敬博士，東京大学の阿部英司博士，柴田直哉博

は最小の原子である水素原子カラムの観察までもが可能な域士，石川亮博士に謝意を表す．

に達している(44)(45)．

文.

今後の新展開―低加速・高分解能化・新検出器

カーボンナノチューブやグラフェンなどカーボン系材料やソフトマターは電子線照射に弱く，低加速で観察することが望ましいが，電子顕微鏡の低加速・高分解能による研究も大きく進展しつつある(36)(46)．電子顕微鏡の低加速化は試料のノックオンダメージ(はじき出し)を抑えるのにも非常に効果的であり，たとえばフラーレン分子やグラフェンのエッジ原子の場合は，ダメージを抑えるために加速電圧 35 kV 以下で観察することが望ましいとされている(46)．低加速電圧においても原子分解能を実現するためには収差補正技術の高性能化が必要となる．これを克服するために，末永らは上述したデルタ型収差補正装置を低加速電圧電子顕微鏡に搭載した(46) ．その結果，加速電圧 60 kV において 82 pm ， 30 kV
において 111 pm と波長比においては世界最高の空間分解能を得ているが(46)(47)，最近ではさらに分解能が向上し，波長比の分解能で 15倍程度が達成されている(48)．低加速電圧の場合でも電子線を細く絞ることができ，分子構造などを破壊することなく十分な散乱信号の取得が可能であるため，効率的にナノカーボン材料などの原子レベル観察および分析が実現されている．また，紙面の関係で，色収差補正については述べなかったが，情報限界と関係する色収差補正技術も大きく進展しつつあり，さらなる原子分解能の向上が期待されて

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(47) K. Suenaga and M. Koshino: Nature, 468(2010), 1088.
(48) H. Sawada, T. Sasaki, F. Hosokawa and K. Suenaga: Phys.
Rev. Lett., 114(2015), 166102.
(49) F. Hosokawa, H. Sawada, Y. Kondo, K. Takayanagi and K.
Suenaga: Microscopy, 62(2013), 2341.
(50) N. Shibata, Y. Kohno, S. D. Findlay, H. Sawada, Y. Kondo andY. Ikuhara: J. Electron. Microsc., 59(2010), 473479.
(51) N. Shibata, S. D. Findlay, Y. Kohno, H. Sawada, Y. Kondo andY. Ikuhara: Nature Physics, 8(2012), 611.
( 52 ) 柴田直哉， S. D. Findlay ，幾原雄一固体物理， 48 ( 2013 ) ,5563.
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
1988 年 3 月

幾原雄一

九州大学大学院・総合理工学研究科・博士課程修了(工博)同年 7 月 財団法人ファインセラミックスセンタ
ー研究員
1993年 7 月 同センター統括部長代理，主幹研究員
1996年 7 月 東京大学大学院工学系研究科・材料学専
攻・助教授
2003 年 1 月 同研究科・総合研究機構・教授・ナノ工学研究センター長
財団法人ファインセラミックスセンター・主管研究員(兼任)，東北大学原子分子材料科学高等研究機構・教授(兼任)
専門分野結晶界面工学，先端透過電子顕微鏡法◎先端透過電子顕微鏡法の材料科学への応用と結晶界面に関する研究に従事．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★




本
会

告

会

記

事

2017年春期(第160回)講演大会ご案内ならびに参加申込みについて …………………………………………………………260
2017年春期講演大会概要集 DVD の販売について …………260
第 3 回ランチョンセミナー開催 ………………………………260
第 9 回男女共同参画ランチョンミーティング開催 …………261
日本金属学会・日本鉄鋼協会講演大会相互聴講のお知らせ…………………………………………………………………261
H29年度春季 全国大学材料関係教室協議会 講演会 ……261
2017年秋期講演大会外国人特別講演および招待講演募集 …261
日本金属学会主催国際会議企画提案募集 ……………………261
新設研究会のお知らせ …………………………………………262
金属学会シンポジウム開催報告 ………………………………268

事務局 渉 外 ・ 国 際 関 係secgnl＠jim.or.jp
会員サービス全般account＠jim.or.jp
会費・各種支払member＠jim.or.jp
刊 行 物 申 込 みordering＠jim.or.jp
セミナーシンポジウム参加申込みmeeting＠jim.or.jp
講 演 大 会annualm＠jim.or.jp
総 務 ・ 各 種 賞gaffair＠jim.or.jp
学術情報サービス全般secgnl＠jim.or.jp
分
科会stevent＠jim.or.jp
まてりあ・広告materia＠jim.or.jp
会 誌 ・ 欧 文 誌editjt＠jim.or.jp

公益社団法人日本金属学会
〒


 仙台市青葉区一番町




 FAX 

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


TEL 
http://jim.or.jp/

共催行事 …………………………263 次号予告 …………………………267
支部行事 …………………………263 新入会員 …………………………269
掲示板 ……………………………264 行事カレンダー …………………270
会誌・欧文誌 3 号目次 …………266

会告原稿締切毎月 1 日で，翌月号掲載です．
掲示板や行事のご案内は，ホームページにも掲載しております．
オンラインジャーナルの発行や行事のご案内等の本会からのお知らせ Email の受信を

ご連絡先住所変更等の手続きは，本会ホームページ 会員マイページ からできます．

ご希望される方は，本会ホームページの 会員マイページ → 会員情報の変更届 にて手続して下さい．

会

告(ホームページもご参照下さい)
年春期(第回)講演大会ご案内ならびに参加申込みについて

第回ランチョンセミナー開催
春期講演大会の会期中に，第 3 回ランチョンセミナーを開催いたします．このセミナーは，参加者の皆様に講演大会の昼食時間を利用して昼食をとって頂きながら，企業による最新の技術情報を聴講いただく企画です．参加無料です．多くの皆様のご参加をお待ち会期 年月日(水)～月日(金)会場(〒1920397 東京都八王子市南大沢 11)
各種賞贈呈式 2017年 3 月15日(水)午前 9 時より
首都大学東京南大沢キャンパス 6 号館110
懇親会
会

しております．

首都大学東京南大沢キャンパス

場

主

催

公益社団法人日本金属学会

企

画

日

時

2017年 3 月15日(水)1800～2000
首都大学東京南大沢キャンパス

会場

株式会社 明報社
2017年 3 月16日(木) 1210～1250
首都大学東京南大沢キャンパス 1 号館(講演会場)

国際交流会館内レストラン「ルヴェソンヴェール」〈ランチョンセミナー開催企業・講演テーマ・演者〉

参加費

無料

昼食を無料提供いたします．

参加申込

当日受付(事前受付終了)■A 会場(1 階101教室)

講演発表

本号付録およびホームページ掲載

詳

ホームページ→講演大会をご参照下さい．

株 TSL ソリューションズ
「InSitu 実験装置を用いた EBSD 観察法のご紹介」

細■F 会場(2 階201教室)


年春期講演大会概要集 DVD の販売について

株
オックスフォード・インストゥルメンツ

「EBSD 分析システム AZtecHKL の最新情報のご紹介」

2017年春期講演大会の概要集 DVD を販売いたします．
ご購入希望の方は下記をご記入の上， E mail または FAX で下記■M 会場(2 階209教室)

要領をご記入の上お申し込み下さい．

「弾性率と内部摩擦測定の現状と将来」児玉株日本テクノプラス

功■J 会場(2 階205教室)
 件名「
◯年春期講演大会講演概要集 DVD 購入申込」，
 申込者氏名，◯
 会員資格(会員番号併記)，◯
 申込数，◯「電子顕微鏡による相関観察/その場観察」

 送付先住所◯■H 会場(2 階203教室)

3 月 1 日の発行後，請求書を添えて送付いたします．ホームページに申込書があります．

「 Xeビーム加工が可能にする大面積 EBSD 解析および高精度三会員価本体3,810円＋税 定価本体10,000円＋税 送料360円
申込先Email: ordering＠jim.or.jp

FAX 0222236312%

株 日立ハイテクノロジーズ
株日本エフイー・アイ次元イメージング」村田薫※講演テーマ，演者は，変更となる場合がございます．予めご了承下さい．

参加方法

3 月16日(木)830より参加券を「機器展示会場(1 号館
1 階)」にて配布致します．
金属学会，または鉄鋼協会の大会参加証をご提示下さい．引き換えにご希望のセミナー参加券をお渡しします．
時間になりましたら，参加券をご持参の上，セミナー会
場までお越し下さい．

本 会 記 事

※予定数に達し次第，配布は終了致します．
※ランチョンセミナーは同業者様等のご入場(セミナー

平成
年度春季

参加券をお持ちの場合でも)をお断りする場合がござい

全国大学材料関係教室協議会
講演会のご案内ます．予めご了承下さい．

第回男女共同参画ランチョンミーティング開催「金属材料分野での多様なキャリアパス」

日

時

場

所

2017年 3 月17日(金) 1500～1600
首都大学東京南大沢キャンパス 国際交流会館

講演会

中会議室

材料科学分野の論文ステータス分析

東北大学大学院工学研究科副研究科長・金属フロンティア工学専攻教授

長坂徹也「金属材料分野でのキャリアパスとしてどのようなものがあるで

聴講料

無料

しょうか．企業，大学，独法研究機関など様々です．また，一言で企業といっても様々な分野で活躍可能です．金属材料を学んだ先輩達がどのような進路で活躍しているか話を聞いてみませんか．

年秋期講演大会外国人特別講演および招待講演募集

仕事のこと，キャリアの積み上げ方，家庭のこと，気になるいろ

春秋講演大会における外国人研究者による特別講演と招待講演にいろなことを，お昼を食べながら，気楽に質問してみてください．

ついては会員からの推薦をもとに，毎年 6 月と 12 月に開催される学生さん，若手の研究者，技術者の方，若い方にエールを送りたい

国際学術交流委員会において審議採択し，講演実施細目については

方，大勢の方のご参加をお待ちしております．

分科会運営委員会で決定いたします．つきましては 2017 年秋期講
演大会の特別講演と招待講演を募集いたしますので，下記要領によ主催

男女共同参画委員会日本金属学会・日本鉄鋼協会

りご推薦下さい．

協賛

男女共同参画学協会連絡会

特別講演

日

時

講演者著名な外国人研究者とする．

会場

2017年 3 月17日(金)1200～1300
首都大学東京南大沢キャンパス 6 号館 402 (鉄鋼協会第 18
会場)(東京都八王子市南大沢 11)

採択件数3～4 件

参加費

無料

弁当30人分までは無料提供．

(講演大会参加申込の有無にかかわらず，このミーティン
グに参加できます!!)講演者有益な講演が期待される国内に滞在する外国人研究者

御手洗容子(物材機構)

1205～1210とする．
講演時間15分(討論 5 分)

開会の挨拶
男女共同参画委員会委員長 東大 醍醐市朗1210～1240

滞在費補助10,000円
その他大会参加費免除，懇親会招待
招待講演

プログラム
司会

講演時間30分(討論10分)

働く妻を持つ大学における男性研究者
東工大大学院総合理工 助教 宮嶋陽司

1240～1250

総合討論

1250～1255

閉会の挨拶採択件数5 件程度
滞在費補助なし
その他大会参加費免除
推薦用紙
所定様式(ホームページからダウンロード)により，下記メールア

男女共同参画委員会副委員長 東北大 梅津理恵

日本金属学会・日本鉄鋼協会講演大会の相互聴講のお知らせ
本会と日本鉄鋼協会との連携強化の一環として，相互聴講を実施

ドレス宛に「外国人特別講演推薦」と明記しお送り下さい．送信後

2～3 日過ぎても受理メールの無い場合はお問合せ下さい．
推薦書提出期日 2017年 5 月31日(水)照会・推薦書提出先〒980
8544 仙台市青葉区一番町一丁目1432
日本金属学会 国際学術交流委員会宛

しております．

 0222233685

申込方法当日受付

FAX 0222236312%

Email: gaffair＠jim.or.jp

鉄鋼協会の講演を聴講する場合は，金属学会で従来の参加受付を済ませた後，鉄鋼協会受付で相互聴講の申込をする．
鉄鋼協会で発表し，金属学会で聴講のみされる場合，鉄鋼協会で従来の参加受付を済ませた後，金属学会受付で相互聴講の申し込み

本会が主催する国際会議につきまして，ダイナミックな国際化のをして下さい．
(註)金属学会で講演発表(共同セッション含)する場合は，金属学会の正規大会参加申込が必要です．
発表は(鉄鋼)でかつ(金属の聴講)のみの場合↓
かつ動きに即したタイムリーな企画を選定するため，次の方針で提案募集を行います． 2019 年度以降開催の国際会議が対象です．ご参照の上，期日までに有意義な企画をご提案下さいますようお願いいた
します．

参加登録は(鉄鋼)でする．相互聴講手続きは(金属)でする．
発表は(金属)で

日本金属学会主催国際会議企画提案募集(鉄鋼の聴講)のみの場合

↓

提案締切日
提案要項

2017年 5 月31日(水)下記事項を記載した文書( A 判)をもって，会長宛に申請して下さい．

参加登録は(金属)でする．相互聴講手続きは(鉄鋼)でする．

 会議の名称(和文名・英文名)

 会期


料金
聴講のみ(概要集 DVD 無し)

3,000円聴講と概要集 DVD(1 部)

6,000円

 開催地・会場予定 会議の目的・特徴 日本開催の経緯と意義 計画概要．協賛，後援団体
．主要準備日程
．使用語

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan．参加予定国(国名・国数)新設研究会のご案内

．参加予定者数(国内外)
．著名な国内外参加予定者(氏名・所属・役職)
．パラレルセッション数およびポスターセッションの有無

本年 3 月から新たに下記の研究会が発足いたします．メンバー
として登録を希望される方は，氏名，勤務先，連絡先(E mail ad-

数・頒価・配布方法)

dress 含む)を明記の上，世話人宛にお申込み下さい．研究会の活動期間は 1 期 5 ヶ年以内です．

．予算(収入・支出明細)

継続更新の場合は，延長期間 1 期 3 年以内，最長活動期間は 2 期 8

．プロシーディングスの出版(出版元・予定頁数，製作部

 準備委員会委員(氏名・所属・役職)
年以内です．

 提案(連絡)責任者(氏名・所属・役職・住所・電話・E
mail)(研究会新設募集7 号会告予定/申請締切日9 月 1 日)

提案書送付先〒9808544 仙台市青葉区一番町一丁目1432(公社)日本金属学会 国際会議募集係■．触媒材料の金属学研究会

1 期 5 年間(2017年 3 月～2022年 2 月)
触媒はグリーン・イノベーションのキーマテリアルであり，近活動期間―公益社団法人日本金属学会主催国際会議実施方針(年月改訂抜粋)―

.

基本的要件

年，脱貴金属化や貴金属代替合金触媒の開発は最重要課題の一つと開催要望が国内外で高まっており，かつ本会会員からも要望なっている．触媒材料として金属・合金は古くから利用されてきされていること．

た．特に，合金化による触媒性能の向上は枚挙に暇がない．しか

関係国内学協会の協賛が得られること．

し，意外なことにこれら合金化効果と触媒機能に関する原理・原則



会議の計画内容が本会主催の会議としてふさわしいと認めらは未だ確立されていない．その最大の要因は，金属・合金触媒におれること．

いて金属学の視点で深く議論されることが無かったからである．そ11 会議の構成，主要題目，日程，使用語が適切である．
12 参加国数および国外参加者が10カ国50名以上予定されていること．

こで，本研究会では，金属・合金の触媒作用を金属学の観点から理13

参加予定国および参加予定者は確実な根拠に基づいて媒化学，材料物性・解析，物性理論，表面・電気化学など)との融推定されていること．

合を図り，研究者間での意見・情報交換，活発な討論を行い，その当該分野における国内外の代表的研究者の参加が予定

研究成果を金属学会のシンポジウム，欧文誌特集号などを積極的にされていること．

企画し広く発信していく．




14



げることを目的とする．金属材料分野を中心として幅広い分野(触会議の Proceedings を刊行する場合は，多重投稿等ミスコン※金属材料と触媒化学の研究者コミュニティーの交流を目指してダクトが生じないよう対策をとること．実施する対策を事前2009 年 よ り 活 動 し て き た 「 触 媒 材 料 研 究 会 」 ( 2 期 計 6 年 間 
2009.032012.02(代表世話人蔡安邦)， 2012.032015.02(代表世に届け出て本会の承認を得ること．
.

解するとともに，新たな触媒材料の学理を構築し実際の調製法に繋本会主催国際会議の区分と規模

話人西村睦))のうちバルク型金属・合金触媒材料にフォーカスしその学理構築にこだわった比類のない金属学会ならではの研究会を



JIMIS国際シンポジウム―参加者150名未満
JIMIC国際コンファレンス―参加者150名以上



その他の国際会議―国際的要請に基づいて主催する国際集会

代表世話人




目指す．

等
.

聡

東北大学多元物質科学研究所・准教授
&%
FAX 0222175723

開催頻度

Emilkameoka＠tagen.tohoku.ac.jp

必要に応じて随時開催する．
.

亀岡

テーマの公募，選定方法｢まてりあ」会告で定期的に企画提案を募集する．

■．金属・無機・有機材料の結晶方位解析と応用技術研究会



提案された企画案は，まず分科会運営委員会において検討，

活動期間

優先順位を付けて，国際学術交流委員会に提示する．





.

1 期 5 年間(2017年 3 月～2022年 2 月)
結晶性材料の高性能化において組織制御の重要性は言を俟たな

国際学術交流委員会において実施企画，会議の区分，貸与金

い．輸送機器構造材のマルチマテリアル化が叫ばれ，金属に限ら(内定)を決定して，理事会に答申する．

ず，高分子材料の重要性も高まっている．近年部材に要求されるよ理事会において正式決定し，提案責任者に対して文書によりり高度な性能向上は，等方性・均一性を前提としない，組織の異方決定通知と開催準備推進の依頼を行う．

性と不均一性の最適化に求められつつある．すなわち，材料のパフ

財源ォーマンスを高める構造は配向組織制御あるいは複相組織の不均一




参加費

性制御によるものであり，結晶性材料ならば結晶方位解析がそのベ


文部科学省補助金ースとなる．そこで，結晶方位解析に基づき，集合組織制御のみな

地方公共団体補助金

らず結晶方位差によるひずみ評価，分散相の結晶方位解析，界面近

民間財団補助金

傍構造解析等の応用技術を駆使して結晶性材料の高性能化を目指し

本会国際学術交流資金からの貸与金(上限 100 万円会議後返た研究活動を展開することを目的とする．結晶方位解析技術として

却)は，XRD, EBSD, TEM，放射光をも含めたあらゆる技術を対象と寄付金したい．材料は金属，セラミックスの他，結晶性高分子材料などす




.

業務処理の会計処理

べての結晶性材料が対象となる．その他「結晶方位」をキーワード

本会の「国際会議開催準備マニュアル」と「国際会議会計処理マとする応用技術課題を歓迎する．公募形式の研究発表会を中心にしニュアル」に準拠する(これらの資料は採択決定後に提案責任者にて活動を行っていくので，興味のある方には是非メンバー登録をお送付する)．

願いしたい．
代表世話人

高山善匡
宇都宮大学大学院工学研究部 循環生産研究部門 教授
 0286896033

Email: takayama＠cc.utsunomiyau.ac.jp



本 会 記 事

共催行事

支部行事
平成
年度
第回支部会議(総会)開催のご案内

平成年度日本学術会議公開シンポジウム「材料工学から見たものづくり人材育成の課題と展望」
日

時

会

場

2017年 4 月22日(土)1300～1715日本学術会議講堂(東京都港区六本木 7 22 34 ，アクセス東京メトロ千代田線

主

催

共

催

乃木坂駅 5 番出口)

日本学術会議材料工学委員会材料工学将来展開分科会

日

時

場

所

2017年 4 月25日(火)1200～1330
東北大学工学研究科マテリアル・開発系 教育研究棟(B01)会議室(2 階202号室)(〒9808579 仙台市青葉区荒巻字青葉 6
602)
仙台駅からのアクセス

http: // www.tohoku.ac.jp / japanese / profile / campus / 01 /aobayama/areab.html(一社)日本鉄鋼協会，(公社)日本金属学会，(公社)セラミックス協会，(一社)軽金属学会，
日本銅学会，(一社)資源・素材学会，【議題】(一社)日本塑性加工学会，(公社)日本材料学会，

趣旨(公社)日本バイオマテリアル学会，(一社)日本 MRS，

 平成28年度事業報告および決算報告について
(一社)溶接学会，(公社)日本鋳造工学会，

 平成29年度事業計画案および予算案について


粉体工学会，全国大学材料関係教室協議会，

 支部役員について
(一財)金属系材料研究開発センター

 その他


我が国のものづくりは国際競争力が低下しつつあり，我がご出席の方は， 4 月 10日(月)までに，下記の支部事務局まで E 

国のものづくり産業を強化発展させるためには，産学連携によるイノベーションの創出と人材育成が求められる．そmail でお知らせください．

のためには，ものづくりのための産学連携，大学・高校におけるものづくり・材料工学の教育を強化すると共に，女連絡先

日本金属学会

東北支部事務局

子学生，女性研究者のものづくり・材料工学への進出を促〒9808579 仙台市青葉区荒巻字青葉 6602

進することが喫緊の重要な課題となっている．本シンポジ

東北大学工学研究科マテリアル・開発系

ウムではこれらのものづくり人材育成の課題と展望を討論

/%
FAX 0227957323

し，我が国のものづくりの将来の発展に資することを目指Email: kamakura＠material.tohoku.ac.jp

貝沼研究室

したい．
プログラム

H29年度春季講演会

開会の挨拶
日本学術会議会員将来展開分科会委員長・(公財)若狭湾エネルギー研究センター所長 中嶋英雄

日時

芝浦工業大学学長 村上雅人

場

所

共

催

大学における人材育成の課題

ル(〒804
8550 北九州市戸畑区仙水町 11)

素材開発・製造業における人材育成の課題
株 顧問，
株 IHI 元副社長 中川幸也
極東貿易

高校における材料工学の知識の普及と啓発活動

2017年 3 月13日(月)1315～1635
九州工業大学戸畑キャンパス 附属図書館 4 階 AV ホー―アンケート結果

日本鉄鋼協会九州支部

1315～1405

奈良女子大学教授 吉田信也

を基にして―

湯川記念講演会
耐食性及び耐摩耗性溶射皮膜開発の研究事例
九工大 恵良秀則

ポジティブ・アクションの実効性
日本学術会議連携会員・京都大学名誉教授 戸部博

材料工学における女子学生，女性研究者・技術者の人材育成

1415～1635

テーマ

日本学術会議連携会員・豊橋技術科学大学教授 中野裕美

講演討論会

「環境・エネルギー問題に応える溶射技術の現状と進展」
 溶射粒子の状態制御によるプロセス開発
物材機構 黒田聖治

総合討論
司会

日本学術会議連携会員・物質材料研究機構特命研究員 長井寿

 電力設備での溶射適用事例について
株 今泉幸男
九電産業

閉会の挨拶
日本本学術会議会員・東京大学名誉教授 吉田豊信
総合司会

 環境・エネルギー分野における溶射技術開発の動向


日本学術会議連携会員・東京大学教授 小関敏彦

株 原紀幸三菱重工

 特異応力場の強さに注目した溶射被膜のはく離強度評

問合せ・申込先

公開シンポジウム事務局(若狭湾エネルギー研究センター内)
 0770
242300

FAX 0770245605%

Emailsimpo＠werc.or.jp＊氏名，所属，連絡先(FAX，電子メール)を記載して，FAX または電子メールで申し込み下さい．
＊受付票は発行しません．定員に達して参加頂けない場合のみ，ご連絡します．
参加費

無九工大 野田尚昭

価
参加費

無料

定

70名
〒8048550 北九州市戸畑区仙水町 11

員

問合先

九州工業大学大学院
マテリアル工学コース

工学府物質工学専攻
石丸学

 0938843371

Email ishimaru＠post.matsc.kyutech.ac.jp

料

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan◇大阪大学大学院工学研究科〈公募類記事〉
無料掲載募集人員，締切日，問合先のみ掲載．
有料掲載1/4頁(700～800文字)程度．
「まてりあ」とホームページに掲載15,000円＋税ホームページのみ掲載
10,000円＋税〈その他の記事〉 原則として有料掲載．
原稿締切・掲載号毎月 1 日締切で翌月号 1 回掲載
原稿提出方法電子メールと FAX 両方(受け取りメールの確認をして下さい)原稿送信先%FAX 0222236312 Email : materia＠jim.or.jp◇物質・材料研究機構

ポスドク研究員

募集分野

ポスドク研究員(任期制)

募集人数

1名
磁性・スピントロニクス材料研究拠点

所

属

研究内容

教授 1 名所

マテリアル生産科学専攻 材料エネルギー理工学講座

属

材料設計・プロセス工学領域
教育・研究の内容

材料物性・機能予測に基づく材料設計から，様々な革新的プロセスを駆使した新材料の創製と構造化に至るまでの教育と研究を行う．材料設計・プロセスに関する優れた教育・研究実績を持つことが望ましい．着任後は，異方性カスタム設計・ AM ( 3D プリンター)研究開発セン
ターの教員を兼務し，革新的設計生産工学に関する研究の推進とモノづくり教育に従事する．
担当科目

(学

士後期)材料エネルギー理工学特論など
応募資格

 博士の学位を有すること


子レベル構造解析を行うことにより，スピン依存伝導と ｢ 3 ．教育・研究の内容」および「 4 ．担当科目」に


微細構造の関係の解明，並びにデバイスの更なる高性能

記載した専門分野に研究業績があり，大学院博士後

1.

期課程の研究指導を担当できること

博士号取得者または取得見込みの方

期

勤 務 地

2017年 9 月 1 日以降できるだけ早い時期
 履歴書(写真添付)


着任予定時期

2. 材料科学または応用物理の知識を有し，透過型電子顕微鏡のための試料作製と構造解析の経験を有する方．

応募書類

 業績リスト([ 1 ]査読付き研究論文(学術誌等に掲


2017年 4 月(相談可)
1 年度ごとの更新(審査により更新可．最長 5 年)載)，[2]国際会議論文，[3]総説・解説，[4]著書，[5]特許，[6]その他に分類し，[1]～[3]については

国立研究開発法人物質・材料研究機構

全著者名・題目・雑誌名・巻号・発行年・ページを

千現地区

1 日 7 時間45分，週 5 日(裁量労働制有)
休日・休暇 土，日，祝祭日，その他当機構の基準に準ずる．
勤務時間

給与・待遇

明記)
 代表的な査読付き研究論文 5 編以内の別刷りまたは

当機構の任期制職員給与規定に基づく．社会保険適用

コピー

有り．
応募方法

部)材料プロセス工学など(大学院)(博士前期)材料設計・プロセス工学など，(博化のための知見を得ることを目指す．

任

分子動力学法，有限要素法，フェーズフィール

ド法などの数値シミュレーションや第一原理計算による

公募◇

気抵抗素子などのスピントロニクスデバイスの界面の原

着任時期

公募◇

募集人員

透過型電子顕微鏡によりトンネル磁気抵抗素子や巨大磁

応募資格

教員

 所属学会・国際会議・社会における活動状況の説明1.

履歴書(NIMS 指定，写真貼付)

2.

業績リスト

 受賞とその内容・授与団体の説明書
3.

これまでの研究概要

 最近 5 年間の各種研究助成金の取得状況(代表・分

4.

本人の研究活動に関して意見を求められる方の連絡書

担の別を明記)の説明書

先(2 名以上)．

 現在までの教育と研究の概要( A4 用紙 2 ページ以

応募書類を kazuhiro.hono＠nims.go.jp，件名post内)

doc application と記載して E mail で送付．応募に関していただいた書類は選考目的以外には一切使用

 着任後の教育に関する抱負と研究に関する構想( A4

用紙 2 ページ以内)
 可能ならば，応募者についての参考意見を求めうる


しません．
応募締切

適任者が見つかり次第終了

選考方法

書類選考および面接

問合せ先

〒305
0047 茨城県つくば市千現 121
国立研究開発法人

方 3 名とその連絡先リスト
応募締切
書類提出

物質・材料研究機構

大阪大学 大学院工学研究科 マテリアル生産科学専攻

磁性・スピントロニクス材料研究拠点
宝野和博

kazuhiro.hono＠nims.go.jp
 0298592718
http://www.nims.go.jp/mmu/index_ j.html

2017年 5 月 8 日(月)17時必着〒5650871 大阪府吹田市山田丘 21
マテリアル科学コース コース長 山下弘巳

＊応募書類は，原則として A4 用紙を使用し，封筒の表に「教員応募書類」と朱書の上，簡易書留にて上記に郵送して下さい．尚，
提出書類の返却には応じられません．
選考方法

書類審査による第一次選考の後，必要に応じて第二次選考を行い，面接あるいはセミナーをお願いすることがあ
ります．

問合せ先

〒5650871 大阪府吹田市山田丘 21
大阪大学 大学院工学研究科 マテリアル生産科学専攻
マテリアル科学コース コース長 山下弘巳
 066879
7457/%
FAX 0668797457

その他



Email: yamashita＠mat.eng.osakau.ac.jp
大阪大学は男女共同参画を推進しています．

本 会 記 事集

テーマ中村崇先生の研究と活動，非鉄業界と研究の将来展望会◇レアメタル研究会◇

■主

催

時

間午後200～

講演

非鉄製錬の教育と研究の新しき途を尋ねて(60分)

レアメタル研究会

岩手大学理工学部物理・材料理工学科

徹

東京大学生産技術研究所 岡部

協力(一財)生産技術研究奨励会(特別研究会 RC40)

共催

東京大学マテリアル工学セミナー

教授

新日鐵住金株式会社■開催会場

常務執行役員 高松信彦

東京大学 生産技術研究所 特任教授 中村

東京大学生産技術研究所 非鉄金属資源循環工学寄付

午後600～研究部門（JX 金属寄付ユニット）(公社)日本金属学会他＊レアメタル研究会ホームページ＊

東京大学生産技術研究所

研究交流会・意見交換会(An 棟 2F

http://www.okabe.iis.utokyo.ac.jp/japanese/rc40_ j.html

An 棟 2F コンベンションホール
(〒153
8505 東京都目黒区駒場 461)★備考関連研究会(最寄り駅駒場東大前，東北沢，代々木上原)〈米国版レアメタル研究会(RMW)のご案内〉■RMW12■参加登録・お問合わせ
レアメタル研究会事務担当

崇

講師

ホワイエ)

Workshop on Reactive Metal Processing (Reactive

Metal Workshop)March 3 (Fri)4 (Sat), 2017, Cambridge, MIT
http://www.okabe.iis.utokyo.ac.jp/coretocore/rmw/

東京大学 生産技術研究所
岡部研究室

講師

東北大学 多元物質科学研究所 教授

合研究センター

賛講師

非鉄製錬の研究と業界に対する取り組みと将来展望(仮)(60分)

東京大学生産技術研究所 持続型エネルギー・材料統協教授 山口勉功(60分)
鉄の循環使用の考え方
資源から LCAまで

主宰者

宮嵜智子

Email: okabelab＠iis.utokyo.ac.jp〈平成28年度■〈H29年度 レアメタル研究会開催予定のご案内〉(2017.2.1現在)■第76回 2017年 7 月28日(金)レアメタル研究会のご案内〉 (2017.2.1現在)

第75回 2017年 3 月10日(金)(平成28年度 最終回)←次回★中村崇教授が熱く語る特別シンポジウム＋慰労会★(合同開催)■第回 
年月日(金)
～

An 棟 2F

■第77回
■第78回

2017年 9 月29日(金)または 9 月15日(金)2017年11月17日(金)または11月24日(金)■第79回

2018年 1 月12日(金)2018年 3 月 9 日(金)■第80回

コンベンションホール

★中村崇教授が熱く語る特別シンポジウム＋慰労会★（合同開催)

◇

◇

◇

～日本金属学会誌，Mater. Trans. へ投稿しませんか～◎日本金属学会誌および Mater. Trans. は，会員，非会員問わず投稿することができます．
掲載論文充実化のため，レビュー，オーバービュー，技術論文など多くの種別を取り入れております．会誌の投稿・掲載費用は無料です．
詳細は，本会ホームページ

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会誌

or

Mater. Trans. のページをご覧下さい．

皆様のご投稿をお待ちしております．

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia JapanDirect Extraction of Titanium Alloys/Composites
from Titanium Compounds Ores in Molten CaCl2

日 本 金 属 学 会 誌 掲 載 論 文

Xingli Zou, Shangshu Li, Xionggang Lu, Qian Xu,
Chaoyi Chen, Shuqiang Guo and Zhongfu Zhou

Vol. 81, No. 3（2017）―論文―

Reduction of CaTiO3 in Molten CaCl2 - as Basic Understanding of Electrolysis

桃山時代に制作されたと伝えられる貨幣型恩賞品の制
作技法
桐野文良

大野直志

田口智子

根津暁充

横山亮一

金属表面状態がエポキシ樹脂―金属界面特性に与える
影響
松嶋道也

加藤裕太

Kazuyoshi Nishikawa, Haruka Okada and Taiki Morishige

大気中におけるステンレス鋼の孔食発生に及ぼす
MgCl2 液膜の濃度および厚さの影響

Hydrogen Assisted Magnesiothermic Reduction(HAMR) of Commercial TiO2 to Produce Titanium
Powder with Controlled Morphology and Particle
Yang Xia, Z. Zak Fang, Ying Zhang,
Size

太田博貴

福本信次

Dissolution of Calcium Titanate in Calcium Chloride Melt and Its Application to Titanium ElectrolToshihide Takenaka, Kakeru Shimokawa,
ysis

藤本公三

廣畑洋平

武知佑輔

Ryosuke O. Suzuki, Hiromi Noguchi, Hiromasa Hada,
Shungo Natsui and Tatsuya Kikuchi

春名

匠

野田和彦

Ti
6Al
4V レーザー積層材の組織と機械的特性
櫻井勇也

筧

幸次

CALPHAD 法による熱空孔の取り扱い
阿部太一

橋本

清

下野昌人

工業的プロセスにより作製した純銅鋳物の変形挙動と電気伝導率に対する影響因子
後藤育壮 麻生節夫 大口健一 小栗 颯
黒沢憲吾 鈴木寛之 林 博之 塩野谷純一
越山将行

黒川一哉

大野宗一

Reduction of Titanium Dioxide to Metallic Titanium by Nitridization and Thermal Decomposition
Ichiro Seki and Shin-ichi Yamaura

Calcium Reduction of TiS2 in CaCl2 Melt
N. Suzuki, M. Tanaka, H. Noguchi, S. Natsui, T. Kikuchi
and R. O. Suzuki

Electrolytic Reduction of V3S4 in Molten CaCl2

SiAlON と耐熱合金のろう付け接合
徳永透子

Hyrum Lefler, Tuoyang Zhang, Pei Sun and Zhe Huang

松浦清隆

Materials Transactions 掲載論文
Vol. 58, No. 3（2017）―Special Issue on New Proposals on Titanium
Production and Molten Salts―
Ryosuke O. Suzuki
PREFACE
Aspects of the Application of Electrochemistry to
the Extraction of Titanium and Its Applications
Derek Fray and Carsten Schwandt(Review)
Design, Test and Theoretical Assessments for
Reduction of Titanium Oxide to Produce Titanium
K. Ono, T.H. Okabe and R.O. Suzuki
in Molten Salt
Titanium Sponge Production Method by Kroll
Kotaro Nakamura, Takahiro Iida,
Process at OTC
Nobuo Nakamura and Tadao Araike

Effect of the Changed Electrolytic Cell on the Current Efficiency in FFC Cambridge Process
Meilong Hu, Qu Zhengfeng, Bai Chenguang, Di Hu andGeorge Z. Chen

Takahiro Matsuzaki, Shungo Natsui, Tatsuya Kikuchi and
Ryosuke O. Suzuki

Electrochemical and Chemical
Titanium in AlCl3-BMIC Melt

Behaviorsof

Cunying Xu, Yawei Liu, Yixin Hua, Jian Li and Qibo Zhang

Molten Salt Synthesis of Different Ionic Radii
Metallic Compounds Doped Lithium Titanate Used
Qingjun Guo,in Li-Ion Battery Anodes
Qiang Wang, Gang Chen, Miao Shen and Bing Li

Electrodeposition of Titanium in a Water-Soluble
KCl Molten Salt
KFYutaro Norikawa, Kouji Yasuda and Toshiyuki Nohira

The Effects of NdF2 on Current Efficiency of Nd
Extraction from NdF3-LiF-Nd2O3 Melts
Xiaolong Liu, Chao Huang and Bing Li

Electrochemical Recovery of Rare Earth Elementsfrom Magnets: Conversion of Rare Earth Based
Metals into Rare Earth Fluorides in Molten Salts
Aida Abbasalizadeh, Annelies Malfliet,
Seshadri Seetharaman, Jilt Sietsma and Yongxiang Yang

Electrochemical Behaviour of Dissolved Titanium
Oxides during Aluminium Deposition from Molten
Geir Martin Haarberg
Fluoride Electrolytes

Electrochemical Preparation of Porous Ti
13Zr
13Nb Alloy and It's Corrosion Behavior in RinTang Yu, Huayi Yin, Yi Zhou,
ger's Solution
Yining Wang, Hua Zhu and Dihua Wang

本 会 記 事―Regular Articles―

Materials Processing

Effects of As Cast Holes on Cooling Patterns in
Directional Solidification of Plate Castings

Materials Physics

Recovery of Platinum Group Metals from Spent
Catalysts Using Electroless Nickel Plating andMagnetic Separation

Ikuzo Goto and Setsuo Aso

Improvement of Calculation Stability for Slow
Fluid Flow Analysis Using Particle Method

Yu-ki Taninouchi, Tetsuo Watanabe and Toru H. Okabe

Effect of Cooling Rate on the Microstructure ofYongzhe Wang, Lidan Qu,
Colloidal Glass

Naoya Hirata and Koichi Anzai

Outflow Liquid Falling Position Control Considering Lower Pouring Mouth Position with Collision
Avoidance for Tilting-Type Automatic Pouring
Atsushi Ito, Yoshiyuki Noda, Ryosuke Tasaki
MachineHongge Li, Hao Zhang, Yilin Wang and Yunzhuo Lu

Plasticity Improvement of Zr-Based Bulk Metallic
Glasses by Adjusting Oxygen Content and Cooling
Z.J. Ma, S.B. Lei, Lugee T. Li Yeung, P. Wang,
Rate

and Kazuhiko Terashima

Y.C. Guo, Z. Yang, J.P. Li and P.H. Gao

Design and Fabrication of Wire Grid Polarizer by
Nanoimprinting and Glancing Angle Deposition
Hyungjun Jang, Ga-Young Shin,
Processes

A Theoretical Study on Atomic Motion during
Jiejun He and Lushu Wu
Twinning for Magnesium

Ho-Young Jang, Jonghyun Ju, Jiseok Lim and Seok-min Kim

Microstructure of Materials

Surface Morphology Analysis Using Fractal Theory in Micro Electrical Discharge Machining

A ``Mold Filling'' Model from Viscosity Measurements in a Strengthened Injection-Molded
Reduced Glass Fiber Length Polyester Bulk MoldMichael C. Faudree, Yoshitake Nishi,
ing Compound

Wujun Feng, Xuyang Chu, Yongqiang Hong andDaxiang Deng

Takashi Asaka and Michael Gruskiewicz

Mechanics of Materials

Deformation Microstructure and Fracture BehavShigeto Yamasaki,
ior in Creep-Exposed Alloy 617

Engineering Materials and Their Applications

The Synthesis, Characterization and Optical
Properties of Nanocrystallined Cerium Dioxide by
the Hydrothermal Method

Masatoshi Mitsuhara and Hideharu Nakashima
Materials Chemistry

I-Tsan Liu, Min-Hsiung Hon and Lay Gaik Teoh

Reassessment of Solid Solubilities and Thermodynamic Properties of Magnesium and Calcium
Sakiko Kawanishi and Takeshi Yoshikawa
in Silicon

Effects of Growth Conditions on AlN Layer Grown
Masayoshi Adachi,
by Ga-Al Liquid Phase Epitaxy
Ryuta Sekiya and Hiroyuki Fukuyama

Conductive Atomic Force Microscopy Measurements of Localized over Dark Current along Pyramidal Ridge Lines of Intrinsic HydrogenatedAmorphous Silicon Layer on Textured Crystalline

Anisotropic Analysis of Nanocrystalline Bismuth
Telluride Thin Films Treated by Homogeneous
Electron Beam Irradiation

Hiroyuki Miwa, Satoshi Nishida, Masato Kanematsu,
Shizuma Kuribayashi, Htay Win, Norimitsu Yoshida andShuichi Nonomura

Shohei Kudo, Saburo Tanaka, Koji Miyazaki,
Yoshitake Nishi and Masayuki Takashiri―Rapid Publication―
Enhanced Wear Resistance of Zr-Based Bulk
Metallic Glass by Thermal Oxidation Treatment

Adhesive Force of Laminations of Titanium
Untreated and Polycarbonate Homogeneously
Irradiated by Low Potential Electron Beam Prior
Masataka Tomizawa,to Assembly and Hot-Press

Kun Zhou, Shujie Pang, Chen Chen, Ying Liu, Wei Yang and
Tao ZhangMichael C. Faudree, Chisato Kubo, Masae Kanda,
Itaru Jimbo and Yoshitake Nishi◇

Effect of the Added Polyethylene Glycol Molecular
Weight and Calcination Heating Rate on the Morphology of TiO2 Films Formed by Sol-Gel◇◇

Kumpon Leelaruedee, Patama Visuttipitukul andNiti Yongvanich

まてりあ

第
巻

ミニ特集「科学技術界を取り巻く様々な立場からの倫理観」
企画にあたって ……………………田中秀明 北村一浩 池田大亮
教育と倫理―「人格の完成」をめぐって ………………宮村悠介「技術者倫理」に関する倫理学的考察 ……………………勢力尚雅
技術(者)倫理―組織とのかかわりを考える ……………杉本泰治
技術者の流動化と知的財産権，そして技術者倫理 ………池田大亮

第号

予告

〈一般記事〉[材料教育] 児童や生徒の金属に対する興味・関心を醸成するビ
スマス結晶づくり ………………………中野英之 他[入門講座] 中性子線による金属材料の組織と弾塑性変形挙動の解析()～弾塑性変形その場測定～ ………友田 陽―他―
編集の都合により変更になる場合がございます．

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan金属学会シンポジウム開催報告

データサイエンスと材料研究開発

山中晃徳(東農工大)は，「アンサンブルカルマンフィルタ
によるパラメータ推定」にて，まずフィルタ理論とはいかな
るものかについて，詳細な説明を行った(従来，フィルタ理論の説明は抽象的でわかりにくい場合が多いが，材料学を題(セミナーシンポジウム委員会企画)

材に非常に理解しやすい内容であった)．続いて，フェーズ

開催日

2017年 1 月20日(金)フィールド法に用いられる緩和係数の値を，アンサンブルカ

場

エッサム神田ホール(東京)ルマンフィルタによって推定する例題が説明され，シミュレ

所ーションとフィルタ理論を用いたパラメータの逆問題式推定法の重要性が示された．
近年，データサイエンスと材料科学・工学を融合し，材料

伊藤伸一(東大)は，「フェーズフィールドモデルに資する開発の高効率化を実現しようとする新たな枠組みの構築が種

4 次元変分法データ同化」と題し講演し，シミュレーション々のプロジェクトにて進展している．本シンポジウムでは，の初期値に対する，アジョイント法による推定の有用性を示

材料研究開発にデータサイエンスを適用している多くの事例した．この手法は，推定したい値に大自由度がある場合に適の中で，これからの材料工学に貢献するであろう手法に焦点した手法である．さらに，近年提案された，推定値の誤差まを当てた．具体的には，仮想スクリーニング，ニューラルネ

でも見積もることができる，さらに進んだ 2nd order アジ

ット解析，フィルタ理論，アジョイント法(4 次元変分法)，

ョイント法についても紹介があり，不確実性の定量化に関すおよびスパース学習に着目し，材料学に本当にマッチしたデる最新の計算理論が示された．

ータサイエンスとは何かについて議論するとともに，今後の小山敏幸(名大)は，「材料工学におけるスパース学習の重

材料科学・工学のインフォマティクスが進むべき方向性につ

要性」において，まず JMAK ( Johnson Mehl Avrami Kol-

いて討論した．(1 月 20日，エッサム神田ホール，参加者数

mogorov )の式を題材にスパース学習の基礎について説明

57名)．

し，最小二乗法(制約なし)， Ridge 回帰( L2 ノルム制限)，

世古敦人(京大)は，「第一原理計算データに対する機械学

および Lasso 回帰( L1 ノルム制限)の相違点について述べ

習手法の応用」にて，第一原理計算の多重実行と機械学習手た．続いて，一般化した JMAK の式を用いた成長曲線の近法を組み合わせた原子間ポテンシャルの構築について述べ，

似を例に，スパース学習が，重要データの選別だけでなく，エネルギーだけでなく，原子に働く力場も高精度に予測でき材料挙動のメカニズム選択にも活用できることを示し，材料ることを示した．また機械学習法を用いた材料探索・構造探工学におけるスパース学習の有用性について言及した．

索について，仮想スクリーニンングの威力を紹介した．さら総合討論においては，まず材料インフィマティクスに関すに，機械学習では記述子の選定が非常に重要であるが，新たる留意事項として，材料工学の観点からのインフォマティク

に提案した，化合物に対する一般的な記述子(単位胞内の原スの定義，およびインフォマティクスが威力を発揮できる条子数に寄らない記述子)の有用性を示した．

件について確認した後，最近のデータサイエンスの手法と従足立吉隆(鹿児島大)は，「ディープラーニングによる組織

来の統計的手法との相違点をまとめた．最後に材料工学にお識別・検出の可能性の検討」において，複雑な鉄鋼材料組織

けるインフォマティクスの恩恵として，以下の 7 点が総括の自動認識に対し，畳み込みニューラルネットワークを活用 パラメータ推定に対する逆問題の活用，
 特性
された．

した試みについて述べ，材料組織画像の自動認識が，現在，

 仮想スクリーニングのを支配する因子分析・感度解析，

飛躍的に向上していることを示した．さらに鉄鋼材料の力学

 データを認識・分類する精度・効率
材料探索への適用，

特性(応力ひずみ曲線)を材料組織やプロセスに関する記述

 検量線(現象論・理論・計算)の非線形内挿の精の向上，子を用いてニューラルネット学習させることにより，材料強 必要なデータの識別，および
 不要なデータや度向上，

度の支配因子を定量化できることを述べた．独自開発した材

間接データの重要性．

料組織の機械学習ソフトウェアについても一部紹介された．

(文責小山)(企画世話人名古屋大

小山敏幸)

本 会 記 事(2016年12月21日～2017年 1 月20日)

正

員

趙
子寿
後藤光宏
矢ヶ部洋一
森
重雄
学

生

石原雅人
徳田慎平
佐藤
翼
木村和誠
近藤政孝
大宮正仁
中村忠暉
砂沢俊哉
小田原雅司
原田健太郎
西岡剛志
王
曉瑜
坂本史明
高先純也
鈴木
聡
井上紅花
上山僚介
鈴木琢巳
伊藤美優
松村卓哉
植木翔平
笹川大揮
毛
文奇
増井聖弥
佐藤広崇
椎木政人
橋本篤明
伊代田浩太
村瀬直人
石寺瑛彦
樋口隆幹
酒向志乃
坂田将啓
瓦田一郎
漆谷建治
宮崎史帆
中西陽平
和田悠佑
青島大地

東京大学
住友電気工業株式会社
三菱化工機株式会社
大阪冶金興業株式会社

菅原和幸
安倍健太郎
小峰重久
多田直哉

公益財団法人電磁材料研究所

高口麟太郎
中川真惟子
長内大輔
大竹陽介
神戸貴史
金重諒彦
澤田龍伍
林田武士
横岩佑城
山下慎平
岩井秀磨
渡邉
学
山崎拓生
吉村祐貴
牧山尚平
勝又淳友
柴田悠河
兼子奈都実
邉見蓉子
山崎翔平
平田俊太郎
坂口了太
大沼克也
高橋宏幸
湯澤
翔
永田高大
伊藤清佳
服部裕也
森岡直矢
中
謙大
小林凌也
吉川晃平
奥野
慎
松本義規
浅倉誠仁
上垣内 梓
関口雄毅
遠藤恵太
豊田晃大

九州工業大学

伊藤啓太
井上修次

東北大学
アイシン精機株式会社

株式会社勝島製作所
岡山大学

員
東海大学
東北大学
東北大学
名古屋工業大学
九州大学
東北大学
九州大学
東北大学
大阪大学
東北大学
大阪大学
東北大学
兵庫県立大学
千葉工業大学
東北大学
東北大学
東京大学
東北学院大学
茨城大学
熊本大学
熊本大学
茨城大学
京都大学
茨城大学
芝浦工業大学
早稲田大学
東京理科大学東北大学
名古屋大学
東京理科大学
大阪大学
北海道大学
大阪大学
京都大学
神戸大学
芝浦工業大学
大阪大学
東北大学
学習院大学

茨城大学
東京工業大学
大阪大学
東京工業大学
東海大学
東北大学
名古屋工業大学
北見工業大学
北見工業大学
岐阜工業高等専門学校
東北大学
東京工業大学
同志社大学
熊本大学
茨城大学
北見工業大学
東京工業大学
徳島大学
東京大学
東京工業大学
東京大学
茨城大学
東京大学
京都大学
熊本大学
法政大学
東京大学
愛媛大学
大阪府立大学
京都大学
大阪府立大学
京都大学
東京工業大学
京都大学
首都大学東京
関西大学
信州大学
北海道大学

長谷川 涼 東北大学
伊 藤 孝 郁 東北大学
城 戸 光 一 東北大学
中山明日香 大阪大学
鎌 田 拓 也 長岡技術科学大学
平 敷 大 地 琉球大学
佐次田 頌 琉球大学
戸田晋太郎 大阪府立大学
片山晃太郎 長岡技術科学大学
村 上 宏 明 岩手大学
野 村 宣 徳 東京工業大学
山 路 幸 毅 東京工業大学
住友
望 千葉工業大学
加 納 達 也 兵庫県立大学
鈴 木 裕 太 北海道大学
上田駿 東京大学干 場 太 一 神戸大学
山田豊 大阪大学野 原 一 晟 兵庫県立大学
青木
舞 九州大学黒 尾 健 太 東北大学
前 田 智 哉 神戸大学
木 内 隼 人 早稲田大学
山 本 鴻 司 宇宙科学研究所
日 高 純 真 大分高等専門学校
福 山 貴 義 京都大学
門 田 信 幸 京都大学
石 井 佑 典 筑波大学
山 川 若 菜 大阪大学
鈴 江 瞭 平 東北大学
範太 坤 大阪大学
永 島 涼 太 東京工業大学
蓬 田 貴 裕 東北大学
福 西 亮 太 大阪大学
福 島 崚 平 愛媛大学
中 川 寛 淑 早稲田大学
キャァトサクスィー シャッシャリット 京都大学
中 村 晃 貴 千葉大学
広 田 逸 彦 長岡工業高等専門学校

外国一般会員Deng Guanyu Kyoto University
GAO Jin Kyoto University

BHATTACHARYA SOMESH KUMAR
National Institute for Materials Science

S. Aghamiri S. Mohammad Hokkaido University
CHEN Wei Kyoto University

外国学生会員VU DINH HUY
Novian Hermana Gita

長岡技術科学大学

National Taiwan University of
Science and Technology

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan

延
黄
趙

在鳳
錫永
枢

大阪大学
京都大学
東北大学

Morrall Daniel Kyoto University
Lee Kyujung Pukyong National University
Ahn jaehy eon Pukyong National University




行
開催日
月
2

事

カ

名称・開催地・掲載号

レ

ン

主催・担当

ダ

ー 太字本会主催(ホームページ掲載)
問合先締切

第 69 回塑性加工技術フォーラム「プレスおよび金型におけるセンシングと IT 技術の可能性」(刈谷)

日本塑性加工学会 http://www.jstp.or.jp

定員80名

第 12 回 SPring 8 金 属 材 料 評 価 研 究 会 / 第 11 回
SPring8 先端利用技術ワークショップ―(東京)
第 32 回軽金属セミナー 「アルミニウム合金の組織―入門編(状態図と組織)」(第 6 回)(早大)

SPring 8 利 用 推 TEL 0791582785
進協議会他
suishin＠spring8.or.jp
軽金属学会
TEL 0335380232
http://www.jilm.or.jp/

定員
70名
定員
40名

3

第 42 回組織検査用試料の作り方(組織の現出)講
習会「鉄鋼材料・非鉄金属材料・表面改質処理および異常組織材」(東京)

材料技術教育研究 TEL 047
4317451
会

2.24

6

第222回塑性加工技術セミナー「塑性加工屋にわかる材料知識 ―非鉄系編―」(東京)

日本塑性加工学会 http://www.jstp.or.jp

6 ～10

第 5 回対称性・群論トレーニングコース(つくば)高エネルギー加速 http://pfwww.kek.jp/trainingcourse/5th/器研究機構・物質構造科学研究所他

定員
80名
定員
50名

8 ～10

熱測定スプリングスクール2017(第78回熱測定講
習会)(早稲田大)

9ウィンタースクール「トポロジー最適化の基礎～
積層造形によるものづくりへの応用～」(中央大)9 ～10

第 20 回 磁粉・浸透・目視部門・電磁気応用部
門・漏れ試験部門合同シンポジウム「表面探傷技
術における現場と研究の融合」(岡山)

TEL 0358217120
netsu＠mbd.nifty.com
日本計算工学会
TEL 0338688957
office＠jsces.org http://www.jsces.org/
日本非破壊検査協 TEL 035604015
会・中村
nakamura＠jsndi.or.jp
http://www.jsndi.jp/

10

第 34 回軽金属セミナー「アルミニウム合金の組織―応用編(加工・熱処理による組織変化)」(第2 回)(名古屋大)

軽金属学会

10

第75 回 レアメタル研究会(東大生産技研)(平成28年度最終回)(本号265頁)



H年度春季講演会(九工大)(本号頁)

13

第57回海水環境構造物腐食防食研究会(平塚)13～14

安全・安心な社会を築く先進材料・非破壊計測技
術シンポジウム(函館)

日本金属学会春期講演大会における企業説明会(首都大学東京南大沢キャンパス)(号頁)

14～15

2016 年度量子ビームサイエンスフェスタ(つくば)レ ア メ タ ル 研 究 TEL 035452
6314
会・宮嵜(東大生 okabelab＠iis.u
tokyo.ac.jp
産技研岡部研)http://www.okabe.iis.utokyo.ac.jp/
japanese/rc40_ j.html
九州支部
TEL 0938843371
ishimaru＠post.matsc.kyutech.ac.jp
日本海水学会 海 TEL 046547
3161 corrosion＠swsj.org
水環境構造物腐食 http://www.swsj.org/research/research
防食研究会
02.html
日本非破壊検査協 TEL 035609
4015
会
nakamura＠jsndi.or.jp http://www.jsndi.jp/
日本金属学会TEL 0222233685 FAX 0222236312
secgnl＠jim.or.jp
高エネルギー加速 qbsfestaoffice＠pfiqst.kek.jp
器 研 究 機 構 ， J  http://qbsfesta.kek.jp/2016/
PARC セ ン タ ー
他


～


日本金属学会春期講演大会(首都大学東京南大沢
キャンパス)(八王子)(本号頁)

日本金属学会16

第64回応用物理学会春季学術講演会 分科企画シンポジウム・エナジーハーベスティングの最新動
向IoT 時代の実現に向けて」(横浜)応用物理学会

annualm＠jim.or.jp
TEL 0222233685 FAX 0222236312
http://www.jim.or.jp/convention/2017/
springhayashik＠crystal.apph.tohoku.ac.jp

第回ランチョンセミナー(首都大学東京南大沢
キャンパス)(八王子)(本号頁)

日本金属学会TEL 0222233685

FAX 0222236312



第回男女共同参画ランチョンミーティング「金属材料分野での多様なキャリアパス」（首都大学東京南大沢キャンパス）（八王子）（本号頁）

日本金属学会・日 TEL 0222233685
本鉄鋼協会

FAX 0222236312

17

平成 29 年度春季 全国大学材料関係教室協議会
講演会(首都大学東京)(本号261頁)

全国大学材料関係
教室協議会

第 15 回資源リサイクルと材料科学に関する日韓国際シンポジウム(関西大)

環境資源工学会， murayama＠kansai
u.ac.jp
KIGAM・KIRR http://www.cheng.kansaiu.ac.jp/Shigen/15thjksymp.htm
日本学術会議材料 TEL 0770242300 FAX 0770245605
工学委員会材料工 simpo＠werc.or.jp
学将来展開分科会

3
3

月
17～19

日本熱測定学会

TEL 0335380232
http://www.jilm.or.jp/




平成
年度日本学術会議公開シンポジウム「材料工学から見たものづくり人材育成の課題と展望」(東京)(本号
頁)

日本金属学会東北支部 平成年度第回支部会
議(総会)(東北大)(本号頁)

東北支部

TEL/FAX 0227957323
kamakura＠material.tohoku.ac.jp

第 8 回先端的な電子顕微鏡に関する国際会議(沖縄)

EDGE2017
Organizing Committee
日本希土類学会(阪大内)

TEL 0354526320
EDGE2017＠nims.go.jp
http://www.nims.go.jp/EDGE2017/

月
14～19

15～16



第33回希土類討論会(鳥取)TEL 0668797352
kidorui＠chem.eng.osakau.ac.jp
http://www.kidorui.org/

3.3
参加
2.17
定員
40名

2.10

参加
2.28

4.10

発表
1.20

本 会 記 事

開催日

名称・開催地・掲載号

主催・担当

問合先

15～17

トライボロジー会議2017春

16～17

第 87 回(平成 29 年)マリンエンジニアリング学術講演会(東京海洋大)

19～21

軽金属学会第132回春期大会(名大)26

第 2 回マルチスケール材料力学シンポジウム(第22 回分子動力学シンポジウム・第 10 回マイクロマテリアルシンポジウム)(名城大)日本材料学会

http://www.jsms.jp

30～6.1

日本顕微鏡学会第73回学術講演会(札幌)

日本顕微鏡学会

31～6.2

第22回計算工学会講演会(さいたま)

日本計算工学会

TEL 0112722151
jsm73＠clinkage.co.jp
http://www.clinkage.co.jp/jsm73/
TEL 0338688957 office＠jsces.org
http://www.jsces.org/koenkai/22/

月
8 ～10

平成29年度塑性加工春季講演会(岐阜)

14～15

(東京)

日 本 ト ラ イ ボ ロ TEL 033434
1926
ジー学会
jast＠tribology.jp
http://www.tribology.jp
日本マリンエンジ TEL 036453
9453 staff＠jime.jp
ニアリング学会
http://www.jime.jp
軽金属学会
TEL 0335380232
http://www.jilm.or.jp/

日本塑性加工学会 http://www.jstp.or.jp
TEL 0353603505
sakurai＠jsme.or.jp
http://www.jsme.or.jp/pes/Event/symposium.
html

締切

4.28

講演
1.25
予約申込
4.20
講演
2.17

第 22 回動力・エネルギー技術シンポジウム(豊橋)日本機械学会

講演2.17

日本真空学会関西支部日本表面科学会関西支部
合同セミナー 2017 「水素の挙動と物質科学―最近の展開―」(阪大)

日本真空学会関西 TEL 079
2674921
支部・日本表面科 moritani＠eng.uhyogo.ac.jp
学会関西支部(関 http://www.vacuum
jp.org/
西学院大)

7.5

19～21

サーモテック 2017
連機器展―(東京)

日本工業炉協会

TEL 0332628446
info＠thermotecexpo.com

27～28

第 51 回 X 線材料強度に関するシンポジウム(神戸)日本材料学会TEL 0757615321
jimu＠jsms.jp

28

第 76 回265頁)

レ ア メ タ ル 研 究 TEL 035452
6314
会・宮嵜(東大生 tmiya＠iis.u
tokyo.ac.jp
産研岡部研)
http://www.okabe.iis.utokyo.ac.jp/
japanese/index_j.html

月
6

月
17～19

27～9.1月
～

29 or 15

月
11～13
月
1～4

5 ～10

―第 7 回国際工業炉・関レアメタル研究会(東大生産研)(本号2017 年真空・表面科学合同講演会 第 37 回表面科学学術講演会・第 58 回真空に関する連合講演会(横浜市大)日本表面科学会， taikai17＠sssj.org
日本真空学会
http://www.sssj.org

The 15th International Conference on Advanced 日本 MRS
Materials (IUMRSICAM2017)(京大)

日本金属学会秋期講演大会(北海道大学)(札幌)
第 77 回265頁)

レアメタル研究会(東大生産研)(本号

TEL 0452638538
meeting＠iumrsicam2017.org
http://www.iumrsicam2017.org/

annualm＠jim.or.jp
TEL 0222233685 FAX 0222236312
レ ア メ タ ル 研 究 TEL 035452
6314
会・宮嵜(東大生 tmiya＠iis.u
tokyo.ac.jp
産研岡部研)
http://www.okabe.iis.utokyo.ac.jp/
japanese/index_j.html

日本金属学会

1st International Conference on Energy and 日本鉄鋼協会
Material Efficiency and CO2 Reduction in the
Steel Industry (EMECR2017)(神戸)

emecr2017＠issjp.com

The 12th International Symposium on Advanced 日本実験力学会
Science and Technology in Experimental
Mechanics (12th ISEM '17Kanazawa)

TEL 0253689310
officejsem＠clg.niigatau.ac.jp
www.jsem.jp
第18回材料集合組織国際会議 18th Internation- ICOTOM 18 ・ 井 TEL 072
アブストラクト
2549316
al Conference on Textures of Materials (ICOT- 上(大阪府立大)inoue＠mtr.osakafuu.ac.jp
2016.11.15
OM 18) (St George, Utah, USA)
http://event.registerat.com/site/icotom2017

12～16

第 11 回亜鉛および亜鉛合金めっき表面処理鋼板 GALVATECH2017・ TEL 035657
0777
に関する国際学会(Galvatech2017)
事務局
galvatech2017＠jtbcom.co.jp
http://www.galvatech2017.jp/
11th International Conference on Zinc and ZincAlloy Coated Steel Sheet (Galvatech2017)（東京）

17 or 24

第 78 回
265頁)

20～24

Plasma Conference 2017(姫路)

月
～

講演
3.10

レアメタル研究会(東大生産研)(本号

第回新物質及び新デバイスのための原子レベル
キャラクタリゼーションに関する国際シンポジウ
ム(ハワイ)

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japanレ ア メ タ ル 研 究 TEL 035452
6314
会・宮嵜(東大生 tmiya＠iis.u
tokyo.ac.jp
産研岡部研)
http://www.okabe.iis.utokyo.ac.jp/
japanese/index_j.html
応用物理学会他
TEL 0527353185
mnhrmt＠meijou.ac.jp
日本学術振興会マ alc17＠jsps141.surf.nuqe.nagoyau.ac.jpイクロビームアナ http://alc.surf.nuqe.nagoyau.ac.jp/
リシス第委員 alc17/
会




開催日

名称・開催地・掲載号

主催・担当

問合先

締切


年月
第 79 回
12265頁)

レアメタル研究会(東大生産研)(本号

レ ア メ タ ル 研 究 TEL 035452
6314
会・宮嵜(東大生 tmiya＠iis.u
tokyo.ac.jp
産研岡部研)
http://www.okabe.iis.utokyo.ac.jp/
japanese/index_ j.html


年月
第 80 回
9265頁)

レアメタル研究会(東大生産研)(本号

レ ア メ タ ル 研 究 TEL 035452
6314
会・宮嵜(東大生 tmiya＠iis.u
tokyo.ac.jp
産研岡部研)
http://www.okabe.iis.utokyo.ac.jp/
japanese/index_j.html～2017年度の会費お払込について～
2017年度の会費お払込のお手続きはお済みでしょうか．会員の皆様には，既にご請求のご案内をお送りいた

しておりますが，お手続きが未だの方は，ご対応をお願いいたします．
尚，本会ホームページの会員専用ページからは支払いの確認や，クレジットカード決済などができます．また，ご連絡先住所の変更もこのページからできますのでご利用下さい．
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事務局からのお知らせ本号は，会報編集委員会が最近10年の材料研究に関わるトピックス等について協議し，各分科の企画によりまとめた本会の創立80周年記念特集号です．会員の皆様をはじめ，より多くの読者にお届けできるよう販売もしておりますので，どうぞご活用下さい．
2017年 3 月31日をもって梶原義雅特別顧問が退職となります．
「長い間大変お世話になりました．厚く御礼申し上げます．皆様のご健勝と益々のご活躍を祈念いたします．（梶原）」2015, 2016年度会報編集委員会
委員
長
副 委 員 長
委
員

御手洗容子
大塚
誠
赤瀬善太郎
梅津理恵
小泉雄一郎
杉浦夏子
滝沢
聡
多根正和
戸高義一
堀内寿晃
村石信二
吉矢真人

浅野耕太
大津直史
齊藤敬高
芹澤
愛
竹田
修
田村友幸
中村貴宏
堀部陽一
森戸春彦
和田
武

ま て り あ 第巻 第号（） 発行日
発行所



池田賢一
大野直子
佐藤和久
千星
聡
武田雅敏
垂水竜一
長谷川 誠
本間智之
山田高広
渡辺博行

2017年 3 月 1 日

公益社団法人日本金属学会〒9808544 仙台市青葉区一番町一丁目1432
TEL 0222233685 FAX 0222236312

発
印
発(五十音順，敬称略）

池田大亮
大場洋次郎
佐藤幸生
染川英俊
田中真悟
堤
祐介
畠山賢彦
松尾元彰
山室佐益

石本卓也
大森俊洋
下島康嗣
高橋
淳
田中秀明
寺田大将
藤枝
俊
水本将之
横田智之

上田恭介
北村一浩
下田一哉
高林宏之
田中康弘
寺西
亮
府山伸行
宮岡裕樹
湯葢邦夫

定価(本体,円＋税)送料円
年間機関購読料金,円(税・送料込)
行 人 山村英明
刷 所 小宮山印刷工業株式会社
売 所 丸善雄松堂株式会社〒1050022 東京都港区海岸 1918

本 会 記 事

後1

平成29年 3 月 1 日発行「まてりあ」