資源循環プロセス学講座
複合材料設計学分野

Sustainable Recycle Process

Mechanics and Design of Composite Materials

循環型社会を目指した材料製造プロセスの研究

教授 コマロフ・セルゲイ

准教授 吉川 昇

助教 山本 卓也

Environment-friendly Material Processing

Professor

Sergey Komarov

Associate Professor

Assistant Professor

Noboru Yoshikawa

Takuya Yamamoto

本研究グループの研究目的は、環境調和型の材料プロセスを開発し、持続可能な社会を実現することである。この目的を達成するために、物理作用や波の効果を利用して伝統的な材料プロセスを変革することに挑戦する。物理場は処理される物質に選択的にエネルギーを供給する。エネルギーを供給する手法が極端に限られた高温プロセスに対しては、このような物理場や波は特に有効である。本研究グループの別の研究は物理モ
デルと数値シミュレーションである。この分野では、溶湯処理や金属鋳造、排水処理といったプロセス内での、単相流、混相流に対する流動、熱、物質輸送を解明する基礎研究を行なっている。

電磁場を利用した環境 / 材料プロセッシング
本研究室では、kHz から GHz に至る周波数の電磁波を利用した材料プロセッシングについて研究を行なっている。GHz 域 ( マイクロ波 )プロセッシングの一例として NiO の炭素還元におけるマイクロ波加熱

The purpose of our group is to develop environmentally friendly material processes in order to contribute to building a sustainable society. To achieve thispurpose, we are trying to break the barriers of traditional materials processing with the help of physical fields and waves. Physical fields offer an effective
way to selectively supply energy to the materials being processed. Physical fields and waves are especially attractive for high-temperature processes, forwhich the choice of techniques available for supplying energy are severely limited. Another field of our research activity is physical modeling and numericalsimulation. In this area, fundamental studies are performed to clarify the fluid dynamics and the heat and mass transport phenomena in single andmultiphase flows in such processes as melt treatment, metal casting, and waste processing.の影響に関する研究について紹介する。Ni はステンレス鋼の原料、種々のメッキに利用されているが、これら廃棄物を焙焼し酸化物にした後、炭素による還元を経て金属 Ni の再生を行うことができる。マイクロ波加熱を用いた NiO の炭素還元プロセスでは、炭素によるマイクロ波エ
ネルギー吸収、金属粒子の電磁波との特殊な相互作用による粗大化などの効果により、有効に還元反応を進行させることが可能である。ところがマイクロ波磁場は NiO の加熱には作用せず、マイクロ波電場の超音波を利用した材料プロセッシング
超音波は気体や液体、固体のような弾性体中での超音波伝播能力や必要とされる場所へ超音波のエネルギーを伝播させる能力に影響される。本研究での目的は、超音波に関連した現象を調査し、溶融金属、排水、排気ガスに対するより効率的で持続可能な処理プロセスを開発
る超音波援用プロセス Fig.1(a) を開発した。本プロセスを UMCA 法と名付け、常温常圧で処理可能、且つ、幅広い材料の組み合わせが可能である。Figures 1(b,c) は Al 基板と Fe 2O3 粒子と微細組織の例を示す。また、他の研究として、超音波定在波は気相中のマイクロサイズの粒子凝集に効率的であることを見出した。Fig.2(a) に示すように、粒子は Acoustic wake 効果と放射力によって定在波の節に強下する、もしくは、気流と共に移動し、カスケードインパクターによって捕集される。Fig.2(b) に示されるように処理後に捕集された粒子サイズはより粗大になり、その捕集量も減少した。

Fig.1 UMCA process. (a) Representation of treatment chamber, (b)Surface composite layer in Al matrix, (c) Microstructure analyzed
by EBSD before (left) and after (right) treatment

50 Coexistence Activity Report 2021

Fig.2 Particle agglomeration in a standing wave. (a) Mechanism
explanation, (b) Distribution of trapped particles in weight fraction at
different ultrasound intensities

高温にならないと加熱が起こりにくいことと関係している。図 3 に示
す NiO の誘電損率 (εr”) の温度依存性により説明することができる。

環境調和を考慮した金属製造・加工プロセス
アルミニウムの溶湯処理プロセスにおいてはハロゲン化物を利用して不純物を除去するが、環境負荷低減のためその使用量を低減させる必要がある。この利用量を低減するため、物理的な効果を用いて反応効率を向上させる。具体的には、ハロゲンガス吹き込み処理に代替するプロセス技術開発を行っている。これらは、水モデル実験、アルミニウム撹拌、スーパーコンピュータを利用した撹拌シミュレーションを用いて総合的に研究を行っている。例えば、水モデル実験を利用することで、図 4 に示す容量物質移動係数を算出することで製造現場におけるスケーリング則を提案し、プロセスの制御指針を示している。

Fig.3 Temperature dependence of dielectricloss factor of NiO at 2.45 GHz.

Environmentally Friendly Metallurgical
Processing
In the aluminum purification process, halides are used to remove
impurities, but it is necessary to reduce the amount of halides and to reduce
the environmental impact. To reduce the amount of halides, physicaleffects are used to improve the reaction efficiency. Specifically, we aredeveloping processing technology to replace the conventional process of
halogen gas injection. These studies are being carried out comprehensively
using water model experiments, aluminum stirring, and stirring
simulations with a supercomputer. For example, as shown in Fig.4, thevolumetric mass transfer coefficient is calculated by water modelexperiment, the scaling law is developed based on this experiment, and theguideline for the process control is created.

Department of Frontier Sciences for Advanced Environment

制的に移動させる。結果として、粒子は凝集し、チャンバーの下に落The effects of ultrasound waves are associated with the ability ofultrasound to propagate through such elastic mediums as gases, liquids,
and solids and, thus, to transfer energy to where it is needed. The purposeof our research is to investigate the ultrasound-related phenomena and todevelop more efficient and sustainable processes for the treatment of solidand liquid metals, wastewater, and exhaust gases. Particularly, we havedeveloped an ultrasound-assisted process (Fig.1a) for fabrication of ananostructured composite layer on metal surfaces. This process, calledUMCA, can be realized at ambient temperature and pressure and can beextended to a wide range of material combinations. Fig.1(b,c) shows anexample for Al substrate and Fe2O3 particles and its microstructure. In
another study, a standing ultrasound wave was found to be very effective
for agglomeration of micron-sized particles in gas phases. As shown inFig.2(a), particles are forced to move to standing wave nodes due toacoustic wake and radiation force effects. As a result, particles form
agglomerates that fall down the chamber or they are carried out of it withgas and are trapped by a cascade impactor. The results revealed that thesize of trapped particles becomes much coarser after treatment and theirquantity decreases as shown in Fig.2(b).

影響が大きいことを報告している。これは NiO の電気伝導度が低く、In our laboratory, we have been studying material processing using
electromagnetic waves in the frequency range from kHz to GHz. Here,research on microwave application to carbothermic reduction of NiO ispresented. Ni is used as a raw material for stainless steel and various typesof plating. Metallic Ni can be regenerated through carbon reduction, afterroasting these wastes to oxides. In the carbon-reduction process of NiO
using microwave heating, the reduction reaction occurs effectively due tothe microwave energy absorption by carbon and the coarsening of metal
particles by special interaction with electromagnetic waves. However, wehave reported that the microwave magnetic field does not act on theheating of NiO. This is related to the low electrical conductivity of NiO,which makes it difficult to heat NiO unless it is under high temperature.
This phenomenon is explained by Fig.3, which shows the temperaturedependence of the dielectric loss factor ( ε r”) of NiO.

先端環境創成学専攻することである。具体的には、金属表面へナノ構造の複合層を作製す

Ultrasonic Processing:
Fundamentals and Applications

Application of Electromagnetic Field toEnvironment/Material Processing

Fig.4 Volumetric mass transfer coefficient in the watermodel experiment for the rotary flux injection.

Coexistence Activity Report 202151