構造材料︑世界基準︒

IMR ニュース KINKEN Plus
2023 SPECIAL vol.01

東北大学金属材料研究所
http://www.imr.tohoku.ac.jp【発行日】
令和5年3月発行【編 集】東北大学金属材料研究所 情報企画室広報担当〒980-8577 仙台市青葉区片平2-1-1
TEL: 022-215-2144 E-mail: pro-adm.imr@grp.tohoku.ac.jp

T A RG E T m a p K I N KE N

CONTENTS

未来社会を革新するマテリアルサイエンス。
■構造材料

■機能材料

■量子物性

・・・・・・・・・・・

耐環境材料

急冷材料・多孔質材料

電極材料

結晶成長

薄膜界面物性

有機量子物性■ 腐食■ アモルファス・金属ガラス■ 蓄電池■ その場観察■ トポロジカル物質■ 分子性導体■ デアロイング■ マグネシウム■ 新物質■ デバイス■ 有機エレクトロニクス■ 水素脆化■ ナノ構造・複合材料■ リチウム■ 固液界面■ ナノ界面構造材料、世界基準。

P04■ パイ電子01 SPECIAL

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ P 0 6

データ科学の知見を導入し、求められる金属材料を効率的に創製。
金属組織制御学研究部門

材料加工・プロセス

金属組織制御

水素化物

単結晶材料

金属錯体

強相関スピン物性■ コバルトクロム合金■ 鉄鋼材料■ 水素貯蔵材料■ シンチレータ結晶■ 電荷移動錯体■ スピン超構造■ 融液成長法■ 分子吸着材料■ 積層造形■ 相変態■ 表面硬化材料■ 高速イオン伝導材料■ 酸化ガリウム■ 分子磁石■ 創発現象古 原 忠 教授 ／ 宮 本 吾 郎 准教授

L a b o r a t o r i e s ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ P 0 9
水素脆化の克服に向けて
耐環境材料学研究部門 秋山研究室

安 全 性・信 頼 性 の 高 い 原 子 力 発 電 、核融合炉の実現を目指して
原子力材料工学研究部門 笠田研究室
材料照射工学研究部門 永井研究室
附属量子エネルギー材料科学国際研究センター

格子欠陥分析・原子力材料

核融合

先端エネルギー材料

磁性材料

強磁場物性

超伝導物性

■ 3次元アトムプローブ■ 核融合炉材料■ スピン環境発電■ ナノ磁性■ 磁性■ 液体ヘリウム■ 透過電子顕微鏡■ ナノインデンテーション■ 高効率太陽電池■ スピンカロリトロニクス■ 相制御■ ２次元超伝導■ 陽電子消滅■ 粉末冶金■ 全固体二次電池■ スピントロニクス■ 極端条件■ 電場誘起超伝導

02 SPECIAL

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ P 1 0

求 め ら れ る 形 状 と 優 れた特性の両立を目指し、
n最 新 技 術 の 活 用 や 先 端分野の融合に挑戦。

nHe

加工プロセス工学研究部門

山 中 謙 太 准教授

超大規模計算新素材

セラミック材料設計

超伝導材料

放射性・核燃料物質

強相関アクチノイド物性

L a b o r a t o r i e s ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ P 1 3■ スーパーコンピュータ■ 新材料の創製■ 第一原理計算■ 無冷媒マグネット■ 放射性同位元素■ f 電子系

産学官の協創で新材料の創出と■ 中性子照射■ 量子振動■ マルチスケール・マルチフィジックス

シミュレーション■ 材料評価と分析■ マテリアルズインフォマティクス■ ハイブリットマグネット■ ホットラボ■ 超伝導

産業界の発展を目指す
附属産学官広域連携センター

計算科学シミュレーションによる
効 率 的 な 物 質・材 料 設 計
計算材料学研究部門

久保研究室

計算材料学センター

産学官連携

材料分析支援

構造解析

量子ビーム計測■ 大学シーズ技術移転■ 元素分析

■ シンクロトロン放射光■ 中性子散乱■ 非晶質・結晶質■ ミュオンスピン回転■ 企業との共同研究■ 人材育成■ TEM解析■ 原子配列受 け 継 が れ る金 研 D N A■ X線散乱・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ P 1 4

最 先 端 構 造 材 料 研 究 プ ロ ジ ェ ク ト i n K I N K E N ・・・ P 1 5■ 分 析・実 験 技 術 、計算科学
02

構 造 材 料 、世 界 基 準 。 03

構 造 材 料 、世 界 基 準 。

生活の安全・安心
強靭性と持続可能性の確保
環境負荷の少ない循環型社会の実現

材料は用途により「構造材料」と「機能材料」に分類できる。
構造材料は、強度を中心とする力学的性質を利用する材料で、ビルや橋梁、高速一人ひとりの多様な幸せ道路などの建築物、航空機や自動車、また小さな機械部品などのかたちを支える要素として使用されるものである。1989年のパリ万博では、モニュメントとしてエッフェル塔が建設され、巨大な鉄鋼構造物建設の時代の到来を告げた。

経済的な豊かさその約1世紀後、日本では本州と四国を結ぶ長大な橋梁が次々に架けられたが、質的な豊かさ

その実現を可能にしたのが、構造材料の高強度ワイヤーだった。
1916年に東北帝国大学理科大学臨時理化学研究所第二部として発足した金属Society5.0

材料研究所は、鉄鋼の研究をミッションとしてスタートし、その成り立ちから現在まで構造材料と深く関わり続けてきた。世界の構造材料研究を牽引する

Society 5.0とは仮想空間と現実空間の高度な融合により、経済発展と社会的課題の解決を両立する社会中核的研究組織として、次の100年を見据えた革新的な材料科学研究に取り組んでいる。

狩猟社会（Society 1.0）、農耕社会（Society 2.0）、工業社会

2019年 国産初の電子ビーム積層造形装置の開発2021年 スーパーコンピュータ富岳完成

2001年 超高強度マグネシウム合金の開発

小型ビジネスジェット機HondaJet運用開始
2012年 東京スカイツリー完成

1992年 貴金属を含まないバルク金属ガラスの開発

1998年 明石海峡大橋建設
1988年 青函トンネル開通

1978年 ニッケル基金属間化合物の延性化に成功

1985年 リチウムイオン電池の発明

1976年

1971年 大型船舶日石丸進水（当時世界最大の原油タンカー）

1975年 単ロール式

1964年 東海道新幹線開通
1963年 日米初のテレビ衛星中継成功

1974年 アモルファス耐食合金

1958年 量産軽自動車スバル360発売、東京タワー完成
1954年 世界初の原子力発電所が稼働、シリコン太陽電池の発明

1955年 センダイトプロセスの発明

1950年 八幡製鐵（株）発足（当時の粗鋼・鋼材生産能力国内第１位）
1913年 イギリスの発明家ブレアリーがステンレス鋼を発明

1940年 コエリンバーの発明

1908年 T型フォード自動車登場

炭化ケイ素繊維の発明☞P13参照溶融体急冷法の開発の発明

1959年 高純度金属チタン作製法の開発

1952年 世界初のジェット旅客機が就航☞P13参照☞P13参照1938年 東北金属工業（株）（現：（株）トーキン）設立
1937年 東北特殊鋼（株）設立
1929年 高強度アルミニウム合金Thom合金の発明
1925年 東洋刃物（株）設立
1922年 金属材料研究所設置
1919年 鉄鋼研究所設置
1916年 臨時理化学研究所第二部発足
1907年 東北帝国大学設立

04

べき未来社会の姿として初めて提唱。

2022年 ロシアのウクライナ侵攻
2021年 東京2020オリンピック
2020年 新型コロナウイルス感染症流行1985年 傾斜機能材料の開発

1997年 国産量産車初のハイブリッドカーが登場

1970年 日本初の人工衛星打ち上げ指すもので、第５期科学技術基本計画において我が国が目指す

2012年 コバルト合金COBARION®の開発

2015年 JR超電導リニアモーターカーが時速603kmを記録

ものづくりの進展（Society 3.0）、情報社会（Society 4.0）に続く、新たな社会を日本「2050年カーボンニュートラル」を表明☞P13参照2015年 国連サミットで持続可能な開発目標（SDGs）を決定
2013年 小型家電リサイクル法施行2011年 東日本大震災
2007年 世界金融危機、iPhone登場
2001年 アメリカ同時多発テロ
1997年 地球温暖化防止京都会議にて京都議定書採択
1995年 阪神・淡路大震災、Microsoft Windows 95発売
1991年 バブル崩壊
1982年 東北新幹線開通(大宮〜盛岡)
1979年 第２次オイルショック、省エネ法施行
1973年 第１次オイルショック
1968年 日本のGNP世界第２位に1966年 ３Cブーム（カー・クーラー・カラーテレビ）
1964年 東京オリンピック
1955年 三種の神器ブーム（電気冷蔵庫・電気洗濯機・白黒テレビ）
1945年 第二次世界大戦終結

金研の構造材料研究の歩み

1929年 世界恐慌
1923年 関東大震災
1914年 第一次世界大戦

社会の変化
構 造 材 料 、世 界 基 準 。 05

構造材料、世界基準。

変わります。
変化を支配している学理を追求していくのが我々研究の力点

大学の研究の役割。その中でも当室では、組織制御に研究の鉄鋼材料における主体を置いているのが大きな特徴です。加工熱処理や添加元微細組織制御を

SPECIAL現象と学理の両面から探究。

素が微細組織に及ぼす影響を詳細に理解しながら、材料特性を
古原「構造材料研究は、ビルや橋などの大型構造物や車両・船舶の骨格など、安全安心な社会インフラを支える分野。その中でも鉄鋼材料が日本の経済力や国際的な競争力を支えてきたのは間違いない」。そう語るのは、金属材料研究所で金属組織制御学研究部門を担う古原忠教授だ。

最大限に引き出すための適切な制御方法について深く追求しています」（古原）。

マテリアルDX研究

充実した装置群とデータ活用で次世代自動車を支える表面硬化材料のメタラジーを確立したい。

古原教授の主たる研究対象は鉄鋼材料。鉄は地球上に最も宮本多く存在し、かつ精錬のしやすさから構造材料として幅広くSociety5.0の視点● 安全・安心を確保する強靭性等に優れた構造材料の創製● データの活用による効率的なマテリアル創出● カーボンニュートラルに向けた新しい鉄鋼製造技術の確立活用され続けている。金研でも創立当初から研究されている

古原研が目指す「組織制御による材料特性の最適化」を実現

伝統的な分野だが、合金となる際にみられる鉄の構造変化はするのが充実した解析装置だ。
「研究室発足当初は電子顕微鏡まだまだ未知の領域だ。
「 鉄は基本的には原子が規則的に並が主力装置でしたが、元素添加による組織構造の詳細な変化んだ結晶です。そこに炭素や窒素などの元素を添加すると、元を追うには限界がありました」（古原）。契機となったのが国の素間の複雑な相互作用により多彩な微細組織が生まれます。

元素戦略研究促進による最先端の解析装置の導入だ。古原研

こうした組織の複雑さが合金の特性につながります」。このでは2011年に戦略的創造研究推進事業CREST※１などに参画

多様な構造変化とその結果生まれる幅広い材料特性が、鉄のし、より高度な研究環境が整ったことで組織制御の研究が魅力だともいう古原教授。
「より優れた特性を持つ鉄鋼材料を格段に進展する。

開発するには、特性を支配する微細組織を適切に制御すること「微細組織をより詳細に解析するために3次元アトムプローブが必要不可欠なのです」（古原）。

が導入されました。この装置を使うと、金属材料中のひとつ鉄鋼材料に求められる「強さ」は一筋縄ではない。
力がかかっひとつの原子の3次元的な位置だけでなく、その原子の種類ても形を維持できる「硬さ」と、力に対して破断せずに変形するまでわかる。
組織構造がナノレベルで理解できるようになった「粘り強さ」（延性や靭性）の両立が構造材料のあるべき姿だが、ことで、その後の材料研究にも大きな飛躍をもたらしました」。

両特性はトレードオフの関係にあるからだ。
さらには表面だけそう語るのは古原研究室立ち上げの翌年、研究室の一員とを硬く、内部は高靭性にする傾斜機能が求められる材料もある。

なった宮本吾郎准教授だ。

そうした複雑な特性を実現するため、古原研究室では微細組織

宮本准教授は2020年に科学技術振興機構（JST）の創発研制御を現象と学理の両面から探究してきた。
「鉄鋼材料の結晶究者にも採択され、分野横断を含めたイノベーティブな研究構造は、添加元素だけでなく加熱冷却のプロセスでも大きくにも挑戦している。彼が取り組む研究課題の一つに「耐疲労表面硬化材料プロジェクト※2」がある。研究の背景にあるのが、

06

01

電気自動車（EV）をはじめとする次世代自動車の普及である。

データ科学の知見を導入し、求められる金属材料を効率的に創製。
古 原 忠 教授

宮 本 吾 郎 准教授

金属組織制御学研究部門「EV化に際しては、モーターの小型化と軽量化が課題です。
モーターを小型化するとトルクが小さくなるため、高速回転させることで出力を維持します。そこで問題になるのが、モーターにかませるギアの耐久性で、数倍の長寿命化が必要といわれます。また、エンジン音のない静かなEVではこれまで気にならなかったギアノイズの低減も課題です。
ノイズの原因に構 造 材 料 、世 界 基 準 。 07

構造材料、Laboratories

世界基準。 LSPE

CIAなるギアの歪みは、現在の加工方法では避けられません。これSociety5.0

らの課題を解決するため、ギアの表面硬化処理を従来の炭素水素脆化の克服に向けてから窒素に置き換えるための研究を進めています。
高強度かつ歪みのないギアを低コストで作るべく、添加元素と加工プロ

耐環境材料学研究部門 秋山研究室

セスの最適条件を示す高精度な予測モデルを確立することが一つの目標です。そのために当室の研究装置と併せて、放射光などの大型研究施設や計算科学ともタッグを組み、次世代自水素利用の普及が時代のトレンドよる水素侵入挙動の解明などの研究

片中および負荷環境での水素の影響と な る 中 、水 素 燃 料 電 池 車 や 水 素に取り組んでいます。

を見ることができるため、より高強ステーションに用いられる材料の動車の普及に貢献していきたいです」（宮本）。

信 頼 性 確 保が大きな課題となっています。それは、水素が金属を弱くす

これからの構造材料「例えば、現在の鉄鋼材料研究は、国内の高炉で作られる純度の高い鋼をもとに研究が進められていますが、今後は持続可能な社会に根差したカーボンニュートラルに準じた新しい技術で得られた鉄を鉄鋼材料研究の進展を目指す。
古原基準とする必要があります。最も有力なのがリサイクル原料由来の鉄スクラップです。高炉で得られる鋼に比べ、どうしても不純物が多くなるので、それらを組織制御によってどうカーボンニュートラルなど国際情勢の急激な変化によって、解決していくかが課題です。実は20年以上前から関連学協会

これまで日本のものづくりを支えてきた製鉄業は大きな変化でも議論してきたテーマですが、今まさにその重要度は増しを迫られている。
「革新的な技術発展のためにも、学術基盤のています。不純物は結晶の間にたまるため、ナノレベルの解析

飛 躍 的 進 展 が 望 ま れ て い る 」と 古 原 教 授 は 語 る 。
「鉄鋼のが不可欠。私たちの果たす役割は大きく、今後より一層研究を原 料 となる鉄鉱石や石炭は100％海外から輸入され、さらに進展させたいと思います」（宮本）。

鋼に還元する際に大量のCO 2 を排出します。これは持続可能な社会を目指す日本にとって大きな課題です。いかに省資源で高性能な構造材料を作るかが今後の材料研究に求められており、大学や研究所、そして業界が一体となったオールジャパンで取り組むべき課題です」（古原）。

※１ JSTの戦略的創造研究推進事業CREST「軽元素戦略による鉄鋼のマルチスケール設計原理の確立（2011-2016）」※２文部科学省が2021年度からスタートさせた「データ創出・活用型マテリアル研究開発プロジェクト」事業の一環。マテリアルを効率的に創出し、迅速に社会実装するための新たなモデルの確立を目的としている。

微細組織を明らかにし、組織形成原理を熱力学や結晶学に基づき理解することで、高強度・高延靭生を発現させるための合金・プロセス設計の指針を確立する。

“見る” 手法を開発るから。特に高強度金属では水素の秋山研究室では、水素の動きに合わせ影響が顕著で、金属部材が水素ガスて、刻一刻と変化する金属の“ 内 部に曝されると水素原子が金属中に侵構造”を、“ナノスケール”で“時間”を入し、金属が壊れやすくなってしまう気にしながら見ることに初めて成功のです。微量水素が引き起こす水素（2020年）。採用した電子チャネリング

脆化のメカニズムを明らかにする

コントラストイメージング法は他のため、秋山研究室では、水素が金属手法と比べ対象とする試料形状の制組織内で及ぼす役割や、腐食反応に約が小さく、さまざまな形状の金属Society5.0

多様なエネルギー源の活用等のための研究開発・実証等の推進

安 全 性・信 頼 性 の 高 い 原 子 力 発 電 、核 融 合 炉 の 実 現 を 目 指 し て
原子力材料工学研究部門 笠田研究室

材料照射工学研究部門 永井研究室

附属量子エネルギー材料科学国際研究センター

資源小国の日本において、持続可能ノイド元素の実験場所を提供、海外のの複合酸化物分散強化銅合金の開発

で強靭な社会を実現するための次世研究用原子炉と学術協定を結ぶなど、に成功（2021年）。核融合炉に必要と代エネルギーの確保は重要な課題の最新の材料研究拠点としての役割をなる高温作動ヒートシンク等への適ひとつです。笠田研究室では、基幹強化しています。

用に向けて、大量製造技術開発の進メロン大学)。2005年東北大学金属材料の研究開発を、また永井研究室では、複合酸化物分散強化銅合金の開発まで同研究所長。
現在
（一社）
日本鉄鋼協

原子力関連の鉄鋼や半導体を対象

銅合金は優れた熱伝導性と強度を併に、材料中の照射欠陥などの本質的せ持つことから、SDGs達成に不可欠解明に取り組んでいます。
茨城県大洗

な高効率のエネルギー輸送・変換機器展が期待されます。
■高い強度と熱伝導性を併せ持つ

宮本 吾郎 准教授

町にある附属量子エネルギー材料科学において必須の材料です。
笠田研究室

2006年博士（工学）(京都大学)。2005年

国際研究センターは、全国大学共同

で は 、高 い 強 度 と 熱 伝 導 性 を 併 せ

大学院工学 研 究 科 材 料 工 学 ）を 経 て 、利用施設として放射化試料やアクチ

持 つ 、ジルコニウムとイットリウム

2006年東 北 大学金属材料研究所助教に着任。2012年同准教授。

Electron Channeling Contrast キャピタライズ(ECCI)法による水素助長転位運動のその場観察
プロセス■ M. Koyama et al., Science Advances 6 (2020) eaaz1187

合炉の実現に向けた耐極限環境材料

日本学術振興会特別研究員（京都大学

関連研究全般への寄与が期待されています。

1985年工学修士（京都大学）、1989年

会会長。

先端ナノ組織解析手法を駆使したマルチスケール解析により多様な鉄鋼材料の■水素が金属を弱くする仕組みをエネルギー源として期待される核融研究所 教 授 、2 0 2 0 年 か ら 2 0 2 3 年 3 月

マルチスケール組織制御による構造用金属材料の高機能化

度で水素に強い材料の開発など水素古原 忠 教授
Ph.D（金属工学・材料科学）(カーネギー08

多様なエネルギー源の活用等のための研究開発・実証等の推進

熱伝導性と強度特性のトレードオフを克服する
複合酸化物分散強化銅合金■ Z. Gao et al., Journal of Alloys and Compounds 899 (2022) 163328
構 造 材 料 、世 界 基 準 。 09

構造材料、世界基準。

研究の力点

伝 統 的 な 鋳 造・塑 性 加 工 か らSPECIAL

最先端の３Dプリンタまで、多様な加工プロセスを研究対象に。

チタン合金に比べ課題があったが、塑性加工や微量の添加元素によって向上することも示している。
「強度に加え、体に入れた際の安全性が何より求められる生体材料の場合、組成を大きく変えると、新たに薬事承認などが必要となり、実用化まで多くの時間が必要です。
組成は変えず、加工プロセスを変えるだけで強度や特性を向上させることができないか。種々の加工プロセスを研究することで、特性を最大限に引き出す最適解を求めるのが当室の目標です」。

金属材料の製造と加工には、液体の金属を型に流し込む鋳造や部材を変形させる塑性加工、金属粉末を焼結する粉末冶金などさまざまな方法がある。求められる形状と優れた特性を両立させるにはどの方法で製造するのが最適か、製造プロセスという視点から研究を進めるのが金属材料研究所の加工プロセス工学研究部門だ。
「鋳造や鍛造といった伝統的な手法から、3Dプリンタを取金属3Dプリンタ創れないものを創れる技術、
電 子 ビ ー ム 積 層 造 形（ E B M ）の開発に挑む。

り入れた最先端加工技術の開発まで、幅広い加工プロセスを対象に構造材料の研究を行っているのが当室の特色」と話す

Society5.0の視点● 安全・安心を確保する強靭性、生体適合性等に優れた構造材料の創製● サイバー空間とフィジカル空間の融合による新技術の開拓● 産学官連携による価値共創型の新たな産業の創出のは研究室メンバーの山中謙太准教授だ。
「強度を追究するの「我々は現在、生体材料の分野と親和性の高い積層造形法はもちろん、強度と延性のようにトレードオフの関係にある（Additive Manufacturing：AM）についても研究を進め、特性の両立を、加工プロセスによって実現するのが私たちの材料開発や装置開発に力を入れています」。AMは3Dプリンタ研究の基本です。そのひとつとして、加工が困難な生体材料を用いて材料を積層する最新鋭の加工プロセス技術だ。医療の研究にも取り組んできました」。

機器のほか、航空宇宙、自動車製造などを中心に実用化が研究室では10年以上にわたりCo‒Cr‒Mo合金を用いた金属進みつつある。研究室では2010年に金属3Dプリンタの一種、系生体材料の開発に取り組む。Co‒Cr‒Mo合金は耐摩耗性・電子ビーム積層造形（EBM）を全国の大学に先駆け導入する。

耐食性が高く人工関節に適した材料だが、金属アレルギーのEBMは電子ビームによって金属粉末を選択的に溶融・凝固原因となるニッケルが、加工性を改善する添加元素として、させ、その層の積み重ねで3次元構造を造形する技術である。

あるいは不純物として含まれているため、生体への安全性に金型を必要とせずにメッシュ加工など複雑な形状にも対応課題があった。当室では、製造プロセスの研究開発によって、できるのが大きな特徴だ。
「 金属3Dプリンタには、当室がニッケル含有量が極めて少なく人体に安全なCo‒Cr‒Mo合金

研究している電子ビーム方式のほか、広く普及しているレーの製造技術を確立、国や自治体の支援を受けて実用化に成功

ザー方式があります。電子ビーム方式は、レーザーに比べした※1。骨との結合性・親和性は、同じく生体材料に使用される歪みや亀裂が少なく、エンジン部品に用いられる耐熱合金の製造にも電子ビームのほうが向いています。チタンやタングステンのように融点が高い金属も造形できます。一方、

1002

真空チャンバーや高度な電子ビーム技術が必要なため、研究求められる形状と優れた特性の両立を目指し、最新技術の活用や先端分野の融合に挑戦。
山 中 謙 太 准教授

加工プロセス工学研究部門

開発しにくいという難点がありました」。そのため研究を始めた当時、EBM装置を製造している企業は世界でも一社のみだったという。導入した海外製のEBM装置にも課題が多かったため、山中准教授の学生時代からの恩師でもある千葉晶彦教授が中心となり、約10年かけて高精度な国産EBMの開発に成功する。

構 造 材 料 、世 界 基 準 。 11

構造材料、Laboratories

世界基準。 LSPECIA「飛行機や生体材料に使われる金属は、そもそも加工に向かSociety5.0ない硬い材料。その上、複雑かつ高精度な形状が求められる産学官の協創で新材料の創出と産業界の発展を目指す

ため、既存の加工プロセスではいくつにもパーツを分けたり、実現不可能な形もありました。金属3Dプリンタでは設計図

附属産学官広域連携センターさえあれば、高精度な材料が製品に近い形で作れます。コスト国民の安全と安心を確保する強靭面にはまだ課題がありますが、EBMという加工技術の登場は、ものづくり技術として進展するでしょう」。
や航空機などの軽量化手段として注目されているが、現段階ではその設計手法はまだ確立されていない。
「 私たちはEBM

積 層 造 形 法（ A M ）で 広 が るものづくりの未来。

だけでなく、レーザー方式やコールドスプレーなど多様なAM技術を取り入れながらマルチマテリアルの実現に挑戦しています。一体成形すれば部品の数も製造工程も大幅に減らすことができます。それによるCO 2 削減や省資源化といった社会的な課題の解決にも、AMは大きく貢献するはずです」。
AMが普及すれば社会構造は大きく変わるだろう。粉末原料

チタン合金の開発

金属粉等の生成を防ぐために、陽極酸化を施すことで耐摩耗性の改善に成

新 技 術 創 造 に 加 え 、国 民 の 高 い 素花田修治東北大学名誉教授と産学官功。また本学医学部との共同研究によ養 が 不 可 欠 で す 。附 属 産 学 官 広 域

広域連携センターの正橋直哉教授のり、骨伝導性と抗菌性の付与に成功

連 携 セ ン タ ー は 、大 学 の 研 究 成 果グループは、企業との共同研究によりし、安全安心なインプラント治療への 社 会 活 用 を 目 的 に 、産 業 界 の 技

新規チタン合金製人工股関節ステムの貢献が期待されます。

術力強化、イノベーション創出、産を開発し、厚生労働大臣から薬事承認業界が抱える課題解決、大学シーズを得ました（2021年）。
本合金（TiNbSn）の 技 術 移 転 、人 材 教 育 に 取 り 組 ん

はTi合金としては人骨に最も近いで い ま す 。産 業 界 、行 政 機 関 、他 学

ヤング率36GPaを示し、ステムへのや 学 内 他 部 局 と 連 携 し 、迅 速 か つ

荷重偏りを低減することで骨萎縮を有機的な活動を目指しています。

抑制できます。大阪公立大学との共同研究では、関節炎や骨融解をおこす

人工股関節インプラント用TiNbSn合金：near
β相のため冷間でスウエージング・溝ロール圧
延等の成型加工が可能

従来の加工技術と全く異なるEBMは、材料科学の新たなを供給する新たな産業の創出、Well-beingの実現を可能に学理の追求にも貢献している。
「金属粉末の溶融・凝固の過程する個人に最適化された製品の提供など、まさにAMによるや得られた造形体を、シミュレーションや放射光・中性子など科学イノベーションだ。
「 AMの普及には課題が多くありまの先端的な解析技術によって詳細に調べることで、これまですが、原料から造形までの工程、特性の評価、さらに実用化の伝統的な加工プロセスでは不可能であった材料開発ができに至る一連の流れを理解している我々だからこそ、提案できるるようになってきました。当室では機械学習を取り入 れ たことがあると強く感じています。千葉教授が世界をリードし計 算 科 学 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に よ る 効 率 的 な 物 質・材 料 設 計

条件最適化にも取り組み、高度な組織制御の実現を目指し積み上げてきたEBM研究を、今後いかにつなげて発展させて計算材料学研究部門 久保研究室ています。造形プロセスをモニタリングし、温度や欠陥形成のいくか。多くの企業や大学、意欲ある学生たちとも協力しな基礎データを蓄積することで、より精度の高い材料設計やDXがらEBMの可能性に幅広くトライしていきたいです」と山中化が可能になります」。

准教授は意気込みを語る。

AMには、プラスチックと金属、鉄鋼材料とアルミ合金のように異なる材料を一体に成形するマルチマテリアルの分野でも大きな可能性があるという。マルチマテリアルは自動車※１文科省地域イノベーション戦略支援プログラム (グローバル型)へ参画。
開発された高付加価値コバルト合金は（公財）いわて産業振興センターにより「COBARION（コバリオン）」として商標登録されている。

マルチマテリアル金属積層造形による実寸サスペンションタワー（約40㎝四方）の試作品
天板部分に鋼材（S25C）、その他の部分にアルミ合金（Al3Si1Mn）を使用。従来の技術では困難だった鉄とアルミの強固な結合を実現。レーザー方式の金属積層造形を採用。
高密度で欠陥の無い大型の積層造形品を得ることができた点でも注目すべき成果。

12■人体に安全な高機能インプラント

な 社 会 の 実 現 に は 、産 学 官 に よ る

これまで創れなかったものが創れるようになる日本の新たな加工プロセスの発展

産学官連携による新たな価値共創の推進山中 謙太 准教授
2013年博士(工学)(東北大学)。株式会社神戸製鋼所研究員を経て、2013年日本学術振興会特別研究員（東北大学金属材料研究所）、2014年同助教。2018年同准教授。

■ M. Hatakeyama et al., Materials Science and Engineering: A 825 (2021) 141898■ Y. Mori et al., Materials 15 (2022) 5116

Society5.0

研究ＤＸを支えるインフラ整備と高付加価値な研究の加速

近年、現実世界を高精度に反映した

計算材料学センター■世界初、微小機械システムの摩耗量予測式を提案

計算科学シミュレーションが急速に進の予測式を世界で初めて提案（2021年）。この新しい理論式は、微小機械展し、材料研究においてもその重要度

ドローン、ロボット、自動車、医療機システムの長寿命化に加え、故障・事は増しています。久保研究室では、エネ械などに利用される精密な微小機械故防止など信頼性向上への貢献が期

ルギー問題などの世界規模課題の克服

システムでは、極微少量の「摩耗」でも待されます。のため、計算科学シミュレーション技

その精度と耐久性に大きなダメージ術の開発と、効果的なシステム・材料設を与えるため、極限までの摩耗量の計の実現を目指しています。国際共同低減が強く求められます。久保研究

利用･共同研究施設の計算材料学セン室を初めとする研究グループは、

ターは、材料科学に特化したスーパー「MASAMUNE-IMR」を活用し微小機コンピュータ「MASAMUNE-IMR」を

械システムの摩耗メカニズムを明ら運用し、物質・材料設計の支援やソフトかにするとともに、その知見に基づ開発を行っています｡

き微小機械システムに対する摩耗量摩耗量の予測シミュレーション■ Y. Wang et al., Advanced Science 8 (2021) 2002827
構 造 材 料 、世 界 基 準 。 13受け継がれる金研 D N A
金研オリジナルの構造材料

最先端構造材料研究プロジェクト in KINKEN
ハイエントロピー合金に内在する元素間相互作用と相安定性原理の実験的解明
代表者

古原 忠

事業名｜新学術領域研究（研究領域提案型）
計画研究［2018-2022］

2018年度より科学研究費新学術領域において、新奇で特異な材料物性が発現する「ハイエントロピー合金」が示す元素の多様性と不均一性に注目し、物性解析、材料設計、材料創製の各項目で実験と理論の両面からの本質解明によ1940

る、新たな材料科学の学術領域の構築を目指して研究が推進されています。

コエリンバー

ハイエントロピー合金の主な特徴は、多元化がもたらすエントロピー増大と機 械 式 時 計 の 動 力 源 は「 ひ げ

そこで増本量博士は温度による熱部品だ。このぜんまい状に加工さく、かつ高強度で錆びにくいコエぜんまい」と呼ばれる小さな金属れた金属が規則正しく伸び縮みすることで、時計は正確に時を刻む。
しかし金属が熱膨張すると、ぜんまいの伸縮スピードも変化する。

1955

注目し、ハイエントロピー合金の代表的な構成元素の多元化に伴う固溶体のナノ構造の変化を解明し、統計熱力学と原子・欠陥構造の学理に基づいた微ている。

ず 多 く の 工 場 で 実 施 されること成果に基づいて開発された鋳鉄研究では、多元系固溶体の不安定化要因となる規則化と相分離の重畳現象に器用材料として今も広く使用され材 料 の 製 造 法 の 一 つ だ 。本 間 正

き く 左 右 す る こ と を 解 明 。こ のい、相安定性と組織形成の理解を深化させることが必要不可欠です。本計画

度な時計づくりに貢献し、精密機の製造方法は「センダイトプロセ

かな酸素の増減がその特性を大計では、ベースとなる合金系への添加元素種の影響の個別評価を丹念に行リンバー合金を発明。日本の高精溶かした鉄を型に流し込んで雄博士らは鋳鉄に含まれるわず多体間の相互作用（エンタルピー項）の影響を必然的に受けるために、合金設膨張率・弾性率の変化が極めて低センダイトプロセス

作 る 鋳 鉄 は 、最 も 基 本 的 な 構 造

固溶体の安定化ですが、実際の相安定性は構成元素の短距離̶中距離間かつス」と命名され、国内・国外を問わとなった。耐摩耗性に優れた薄 肉

鋳 物 の 製 造 に も 応 用 さ れ 、ピ ス
トンリングなどの自動車用鋳鉄物の軽量化に貢献した。

細組織設計の原理確立を目指しています。

界面組成の高度制御法確立による構造用金属材料の力学特性向上
代表者

宮本 吾郎

事業名｜創発的研究支援［2021-2027］

高効率・高信頼性社会の実現には、自動車をはじめとする輸送機器の軽量化・衝突安全性向上や建築構造物の高層化・耐震性向上を実現する構造用金属材料の高強度化が不可欠です。構造用金属材料を高強度化すると相対的に脆弱な粒界から破壊が生じるようになるため、高強度化のボトルネックとなっています。
また、今後カーボンニュートラル達成のためにスクラップ材料が多量に再利用されるようになると、1976不純物が混入して粒界に濃縮し、現状以上に粒界を脆化させること炭化ケイ素繊維

次世代航空機エンジンの部材適さないとされていた。その概念化ケイ素（SiC）繊維。この繊維をばれる独創的な熱処理。ジェットとして世界的に注目を集める炭世界に先駆けて発明したのが矢島聖使博士だ。セラミックスの一種である炭化ケイ素繊維は、熱には強いものの脆く、構造材料にはを一変させたのが、「 矢島法」と呼が予想されます。そこで本研究では、粒界における元素間の相互作用を実験的に解明したうえで、計算状態図の考え方を粒界に適用し、粒界への元素濃化（粒界偏析）を設計する新たな粒界偏析設計の概念の有効性を実証し、力学特性を向上させる指導原理を確立します。

エンジン部材の合金を炭化ケイ素繊維に代替できれば、航空機の耐久性と燃費の飛躍的な向上が期待される。

フルセラミックス炉心を目指した耐環境性3次元被覆技術の開発
代表者

1978

近藤 創介

事業名｜令和４年度エネルギー対策特別会計委託事業［2022-2024］

ニッケル基金属間化合物の高延性化

車や航空機のエンジン部などあった。脆さの原因が粒界脆性にには、温度が高くなるほど硬くなは 、ボ ロ ン 元 素 の 添 加 に よ っ てに使用される金属間化合物の中り強度が上がるものがある。ニッケル（Ni）とアルミニウム（Al）からなるNi3Alもそのひとつだが、脆く加工が困難という課題があると考えた青木清・和泉修博士
Ni3Al延性の劇的な改善に成功し、その後の金属間化合物研究を牽引する成果となった。

原子炉や核融合炉を耐熱セラミックスで造る。中でもSiC/SiC複合材料（炭化ケイ素繊維強化型SiC基複合材料）の利用は、3Dプリント技術の発展により現実味を帯びています。しかし、構造材料は炉心冷却用の冷媒からの強い腐食環境に常にさらされ、SiC/SiCといえども被覆が必要です。
本プロジェクトはセラミックスにセラミックスを被覆するためのプロセスインフォマティクスです。SiC原料を輸送ガス流に乗せ、材料内外の表面に運搬して被覆しますが膜質はガス流に左右されます。
成膜時は経験を頼りに条件調整しますが、複雑形状へは対応できません。
そこで、流体シミュレーションにより流れをモデル化し、実験では数㎛の位置精度で対応箇所の被膜強度を測定します。この「ガス流」と「膜性能」の相関を機械学習させ、AIが提案した最適条件で作製した被膜の性能を耐食実験で証明する予定です。

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