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UTokyo Online Education 学術俯瞰講義 2017 小関敏彦
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今日の工学の講義はどこに位置する？
工学研究（教育）の分野

建設系

基礎系

基盤系

総合系

工学研究のフェイズ
知識の創造

価値の創成
１

２

３

価値の実装
４

５

６

７

イノベーション
Innovation
８９

価値の経済効果
１００
基礎研究
Basic research

技術研究
Basic tech

大学の工学研究
University

プロトタイプPrototype

製品化
Product

市場創成Market creat

産学連携
Univ/Indus collaboration

Utoyko Online Education 学術俯瞰講義 2017 小関敏彦 CC BY-NC-ND

市場展開
Market dvlp

企業の工学研究
Industry

2017S 学術俯瞰講義「工学とは」

環境・安全と工学「移動体における材料工学」

平成29年6月12日
工学部マテリアル工学科
教授 小関 敏彦
Utoyko Online Education 学術俯瞰講義 2017 小関敏彦 CC BY-NC-ND

進む地球の温暖化

By S-kei,from Wikipedia Commons
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:GlobalMeanTemperatureChangeSince1891-JP.png
CC0
Utoyko Online Education 学術俯瞰講義 2017 小関敏彦 CC BY-NC-ND(最終閲覧日：2017年6月16日)

Figure by Robert A. Rohde,from Wikipedia Commons
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Global_Warming_Map.jpg
CC BY-SA 3.0
Utoyko Online Education 学術俯瞰講義（最終閲覧日：2017年6月16日）

2017 小関敏彦 CC BY-NC-ND

北極の
海氷面積
100年で4割減
地球の海面水位19cm上昇全国地球温暖化防止活動推進センターすぐ使える図表集http://www.jccca.org/chart/
北極における海氷面積の推移
http://www.jccca.org/chart/chart02_06.html（最終閲覧日：2017年6月16日）
Utoyko Online Education 学術俯瞰講義

62017 小関敏彦 CC BY-NC-ND

温暖化の行方(2070-2100)

Figure by Robert A. Rohde,from Wikipedia Commons
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Global_Warming_Predictions_Map.jpg
CC BY-SA 3.0（最終閲覧日：2017年6月16日）
Utoyko Online Education 学術俯瞰講義2017 小関敏彦 CC BY-NC-ND

温暖化が進むと・・
 1～3℃の上昇
 嵐、森林火災、干ばつ、洪水、熱波、台風が増す
 水不足になる人が10億人以上
 アフリカ、西アジアを中心に飢餓の危機に晒される地域増える
 珊瑚礁や熱帯雨林の崩壊

 2～6℃の上昇• 生態系の崩壊。20-50％の種が絶滅の危機とも。
• 自然生態系の炭素吸収量が減る• グリーンランドの氷床や西南極の氷床が消失• 地球上、ほぼ全ての地域で収穫が減る• 海面上昇が大都市を脅かす（ロンドン、NY、上海、東京、他）
8
Utoyko Online Education 学術俯瞰講義 2017 小関敏彦 CC BY-NC-ND

温暖化は世界で取り組むべき課題• パリ協定－地球温暖化対策の国際枠組み• 米トランプ大統領の離脱表明• これに対して仏マクロン大統領– パリ協定は地球と社会、経済にとって不可欠。
離脱はこの惑星の未来に対する過ち– 環境問題について代替プラン（交渉の余地）はない。地球に代替はないのだから– すべての科学者、エンジニア、市民に協働の呼びかけ
Utoyko Online Education 学術俯瞰講義 2017 小関敏彦 CC BY-NC-ND

9

エネルギーの消費→温暖化の加速

全国地球温暖化防止活動推進センター すぐ使える図表集
http://www.jccca.org/chart/
燃料別に見る世界の二酸化炭素排出量の推移
http://www.jccca.org/chart/chart03_03.html（最終閲覧日：2017年6月16日）

10
Utoyko Online Education 学術俯瞰講義 2017 小関敏彦 CC BY-NC-ND

工学の役割• 工学の知による課題の解決・新たな価値の創出。
そのための様々な角度からの知の追究（基礎・基盤）とその応用・総合化• 環境問題は工学が解決すべき課題• エネルギーに起因する環境問題に対しては：– 環境負荷の少ないエネルギーを作る– エネルギーの消費を抑える– エネルギーを効率よく使う• 持続可能で、より暮らしやすい社会、より安全で安
心、快適な社会の実現
11
Utoyko Online Education 学術俯瞰講義 2017 小関敏彦 CC BY-NC-ND

経済産業省資源エネルギー庁 日本のエネルギー2010
http://www.enecho.meti.go.jp/category/others/tyousakouhou/kyouiku/panhu/pdf/energy2010.pdf
ｐ５、図５ 日本の最終エネルギー消費とGDPの推移（最終閲覧日：2017年6月16日）

誰がエネルギーを使っているのか（日本）

Utoyko Online Education 学術俯瞰講義 2017 小関敏彦 CC BY-NC-ND

エネルギーは何に使われているか

2015年11月14日 航空業界、迫られる環境対応
中川希望
https://jp.ub-speeda.com/analysis/archive/20/

Utoyko Online Education 学術俯瞰講義 2017 小関敏彦 CC BY-NC-ND

13移動体からのCO2排出国土交通省 運輸部門における二酸化炭素排出量
http://www.mlit.go.jp/sogoseisaku/environment/sosei_environment_tk_000007.html
輸送量あたりの二酸化炭素の排出量（最終閲覧日：2017年6月16日）

g-CO2/km人
14

Utoyko Online Education 学術俯瞰講義 2017 小関敏彦 CC BY-NC-ND

まだまだ
増える
自動車

全国地球温暖化防止活動推進センター すぐ使える図表集
http://www.jccca.org/chart/
世界の自動車保有台数の推移（1971～2010年）
http://www.jccca.org/chart/chart05_03.html
Utoyko Online Education 学術俯瞰講義(最終閲覧日：2017年6月16日)

152017 小関敏彦 CC BY-NC-ND

自動車のCO2排出低減のために• 自動車の軽量化– 強い材料による軽量化– 軽い材料による軽量化– 軽量化と同時に、衝突安全性との両立必要– 生産性やコストとも両立必要• ガソリン低減・脱ガソリン– ｴﾝｼﾞﾝの小型化（ﾀﾞｳﾝｻｲｼﾞﾝｸﾞ）、ﾊｲﾌﾞﾘｯﾄﾞ車（HV）、電気自動車（EV）、燃料電池車（FCV）– エネルギー消費、走行距離、動力系の小型化のためにも車体軽量化は必要
16
Utoyko Online Education 学術俯瞰講義 2017 小関敏彦 CC BY-NC-ND

自動車の重量とエネルギー消費
Yahoo! Japan Autosより現行車種を抽出(http://car.autos.yahoo.co.jp/)

0.2
外国車
日本車

燃料消費 [L/kg]
燃料消費[L/km]

0.15

ガソリン車
0.1

0.05
ハイブリット車

00
2005年東京大学学術俯瞰講義
小宮山宏先生「物質を作り利用する」
P25に一部加筆

500

1000

1500

2000

車両重量 [kg]Utoyko Online Education 学術俯瞰講義 2017 小関敏彦 CC BY-NC-ND

2500

3000

材料 – すべての工学の基盤
構造材料 （強度、延性などの力学的特性）
機能材料 （電気、磁気、光学、生体適合などの特性）
金属 （鉄鋼、非鉄合金、金属間化合物）
無機材料

非金属 （セラミックス、ガラス）

有機材料 （高分子材料）
複合材料 （繊維強化プラスチック、他）
18
Utoyko Online Education 学術俯瞰講義 2017 小関敏彦 CC BY-NC-ND

高強度材料、軽量材料の適用による自動車の軽量化・環境対応（北米での予測）

AHSS (Advanced High-Strength Steel), UHSS (Ultra-High-Strength Steel)、
軽量アルミ合金の適用が進む
JIM WARD
Straightening AHSS Advanced straighteners needed to flatten stubborn advanced high-strength steels
http://www.thefabricator.com/article/stamping/straightening-ahss
2014年11月24日（最終閲覧日：2017年6月16日）

Utoyko Online Education 学術俯瞰講義 2017 小関敏彦 CC BY-NC-ND

19材料の高強度化による軽量化メリット• 材料の強度アップによって部材の薄肉化が可能【日産】超高張力鋼板の採用拡大を発表 世界初の1.2GPa級の冷間成形鋼板をインフィニティQ50に採用
2013年3月14日 松本 晴比古
http://autoprove.net/2013/03/31124.html/2/（最終閲覧日：2017年6月16日）
Utoyko Online Education 学術俯瞰講義（N/mm2）2017 小関敏彦 CC BY-NC-ND

20

安全への備え
軽量化と衝突安全の両立
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自動車正面衝突実験の画像

自動車正面衝突実験の画像

著作権等の都合により、ここに挿入されていた画像を削除しました

自動車正面衝突実験の画像
21
Utoyko Online Education 学術俯瞰講義 2017 小関敏彦 CC BY-NC-ND

金属材料の強度• 降伏強度
著作権等の都合により、ここに挿入されていた画像を削除しました
W.D.キャリスター著、入戸野修監訳、『材料の科学と工学２金属材料の力学的性質』培風館2002
p. 16 図1.11 工学的応力‐ひずみ曲線
オリジナル（William D. Callister "Materials scienceand engineering:an Introduction"(Any version is
acceptable)
6.6 TENSILE PROPERTIES
P125 Fig.6.10 Typical engineering stress-strain
behavior to fracture）の図を改変

永久変形開始設計強度• 引張強度破断・破壊限界• ヤング率
弾性率、たわみ• 伸び
延性、耐破断加工
強度×伸びエネルギー吸収22

Utoyko Online Education 学術俯瞰講義 2017 小関敏彦 CC BY-NC-ND

様々な高強度鋼の組合せによる軽量化と安全
Volvo Car UK
https://www.media.volvocars.com/uk/en-gb/media/pressreleases/14537/photos
Volvo XC60 Mar 04, 2008 ID: 14628 Volvo XC60, Safety Cage
（最終閲覧日；2017年8月29日）

強度980MPa
高延性

強度1470MPa

軽量化、安全（変形によるエネルギー吸収、耐破断）の両立
製造性（加工性）、コストも同時に。
23
Utoyko Online Education 学術俯瞰講義 2017 小関敏彦 CC BY-NC-ND

高強度鋼板とAl合金の併用による軽量化と安全メルセデスCクラス

BMW 5シリーズ
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BMW５シリーズの高強度鋼構成図
BMW 5er Limousine Intelligenter Leichtbau
http://www.bmwarchiv.de/foto/222
0-190-bmw-5er-limousineintelligenter-leichtbau.html

超高強度鋼
衝突吸収高強度鋼
アルミ合金
Mercedes-Benz
Sturdy bodyshell – made easy.
https://www.mercedes-benz.com/en/mercedes-benz/innovation/sturdy-bodyshell-made-easy/（最終閲覧日；2017年8月29日）

24
Utoyko Online Education 学術俯瞰講義 2017 小関敏彦 CC BY-NC-ND

鉄鋼 vs アルミ合金
鉄鋼

アルミ合金
• 比重 2.7• 強度 90～600MPa• 伸び 45～10%50
40
伸び (%)• 比重 7.8• 強度 200～1500MPa• 伸び 45～5％

30
鉄鋼

20
10

Al合金

0
0

300

600 900 1200 1500
強度 (MPa)
25

Utoyko Online Education 学術俯瞰講義 2017 小関敏彦 CC BY-NC-ND

金属のミクロ組織

50µm

50µm
大平洋製鋼株式会社
http://pacificsteelmfg.co.jp/
独自技術 スーパー２相系ステンレス鋼
スーパー２相系ステンレス鋼を用いたポンプケーシングの開発と製品化
http://pacificsteelmfg.co.jp/technique/dokuji.html

粒界

単相組織
結晶粒
結晶粒界

二相組織

粒界

粒界
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26

金属材料の強度• 金属の変形 - 転位（線状の格子欠陥）の活動
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金属転移模式図

金属転移映像～1km/mm3
 金属の強度‐転位の移動の妨害

合金化（固溶原子）

析出・分散粒子

Utoyko Online Education 学術俯瞰講義 2017 小関敏彦 CC BY-NC-ND

転位

結晶粒微細化27

鉄鋼材料の強度向上
 高温と低温でFeの原子配列が変化（相変態） 合金設計(alloy design)、加工・冷却(TMCP)で相変態を制御
Figure by cdang ,from Wikipedia
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%9D%A2%E5%BF%83%E7%A
B%8B%E6%96%B9%E6%A0%BC%E5%AD%90%E6%A7%8B%E9%80%A0#/media/File:Cubique_a_faces_centrees_A1.svg
CC BY-SA 3.0

高温fcc

 相変態を利用した組織と固溶元素（面心立方）

 フェライト（軟質、高延性・加工性）

の制御

冷却

fcc→bcc相変態

figure by Baszoetekouw , from Wikipedia
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E4%BD%93%E5%BF%83%E7%AB%8B%E
6%96%B9%E6%A0%BC%E5%AD%90%E6%A7%8B%E9%80%A0#/me
dia/File:Lattice_body_centered_cubic.svg
BSDライセンス

低温
Bcc（体心立方）

 パ-ライト（硬質）、フェライトとの組合せ
 マルテンサイト（超硬質、しかし脆性）

 マイクロアロイ元素による析出制御
 Ti, Nb, V炭化物の粒子分散 相変態＋加工・冷却制御（TMCP）
による結晶粒微細化
28
Utoyko Online Education 学術俯瞰講義 2017 小関敏彦 CC BY-NC-ND

高強度で高延性な鉄鋼材料を求めて材料の延性・伸び (%)

0.6
0.5

IF
IF-HS

0.4

より軽量で安全な
構造体

Mild

0.3

BH

0.2
既存の自動車用
鉄鋼材料

0.1
0

0

200

400

600

800

1000 1200 1400 1600 1800

材料の強度 (MPa)
Utoyko Online Education 学術俯瞰講義 2017 小関敏彦 CC BY-NC-ND

鉄鋼材料の高強度と高延性の両立World Auto Steel
http://www.worldautosteel.org/
Dual Phase (DP) Steels
http://www.worldautosteel.org/steel-basics/steel-types/dual-phase-dp-steels/
Fig２－２応力（MPa）

著作権等の都合により、ここに挿入されていた画像を削除しました

World Auto Steel
http://www.worldautosteel.org/
Transformation-Induced Plasticity (TRIP) Steel
http://www.worldautosteel.org/steel-basics/steeltypes/transformation-induced-plasticity-trip-steel/Fig2-6 、2-8

DP

TRIP

従来ハイテン

鉄鋼の顕微鏡図伸び （%）

高強度のマルテンサイトを分散し強度と延性を両立 しかし、モノリシックな材料では、マルテンサイトの増量は限界Utoyko Online Education 学術俯瞰講義 2017 小関敏彦 CC BY-NC-ND

30材料の高機能化・多機能化

材料の進化の過程
複層鋼板
マルテンサイトの複層化による超高強度・高延性
DP鋼・TRIP鋼
マルテンサイト複相化による高強度・高延性

新材料の
創製

他材料の
選択

材料の
改良
使える
材料
コストや工程の増加
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31

我々が取組む新たな超高強度鋼－複層鋼板
これまでの鉄鋼材料はmonolithicな材料内でのミクロ／ナノの組織の作り分け

複層鋼板では内部構造をデザイン、必要な相を必要な空間部位に必要量→ 超高強度マルテンサイトを構成層にマルチスケール設計(Architectured Material)
層厚・層構成（マクロ設計）各層の組織・特性（ミクロ設計）層間の界面強度（ナノ設計）
32
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マルテンサイト層の伸び複層鋼板のマクロ設計（マルテンサイト層厚）

σ

B

tB

ElastictB ≤σ

2
4 K IC

πσ 2

D
ｖB

tB
Elastoplastic

tB ≤2
2 3K ICσYσ3

Scripta Materialia 59 (2008) 1055–1058 33
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伸びる超高強度マルテンサイトの実現
martensite

martensite

martensite

1400

Nominal Stress (MPa)

引張途中の脆性破断
破壊理論に応じた
幾何設計および界面設計によりこれを抑制

強度（MPa）

1200
1000

76µm

800
600

40µm

140µm
SUS304/SUS420J2(Austenite/Martensite)

400
200
0
0.00

Utoyko Online Education 学術俯瞰講義 2017 小関敏彦 CC BY-NC-ND

t=40µmt=76µmt=176µm

Martensite
層厚
0.05

0.10

0.15

Nominal Strain

伸び

0.20
34

複層鋼板による超高強度・高延性
0.6Fracture Elongation

0.5

IF

0.4

既存の約3倍の高性能化

Mild

0.3

MART/A-SUS
MART/TWIP

IF-HS

複層鋼板

BH

0.2

MART/TRIP

既存の自動車用鋼板

0.1
0

0

200

400

600

800

1000 1200 1400 1600 1800

Tensile Strength (MPa)

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35複層鋼板の自動車構造への適用
1400J

強度1200MPaの
複層鋼板

550J
270J
三次元成形性
1200MPa
複層鋼板

before590MPa従来鋼
強度590MPaの
従来鋼板

270J
衝突模擬の落錘型軸圧壊試験
衝突エネルギー吸収1.5倍、変形 2/3

衝突模擬の落錘型高速曲げ試験

衝突エネルギー吸収 5倍 36

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軽量化に向けたアルミボディ

ランドローバーイノベーションの連続だった45年間
https://www.landrover.co.jp/explore-land-rover/45-years-of-british-design/index.html

Photo from Wikipedia Commons

レンジローバーフォード ピックアップ
F150

アウディTT

ヤナセオートシステムズ「輸入車メーカーの認定工場」
http://www.yanaseautosystems.co.jp/service/bp/f
actory-certificate.html
アウディ アルミニウムボディ
ショップ（最終閲覧日；2017年8月29日）

37

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材料製造に必要なエネルギー（GJ/ton）
アルミニウム280

プラスチック85-180銅140-300

亜鉛

68

鋼

55

ガラス

20

セメント

7

れんが

4

木材

2.5-7

砂利

0.2

油

44

石炭

29

→ アルミは電気の缶詰

M. Ashby and D.R.H. Jones著 大野・金子・大塚共訳 『材料工学入門』 内田老鶴圃 2004, p. 23 表2.4をもとに作成。

38
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ライフサイクルで環境負荷低減が必要（自動車の例）

材料製造の
エネルギー

製品製造の
エネルギー

廃棄・再生のエネルギー

燃料消費

出典：経済産業省ウェブサイト

製造

使用

廃棄・リサイクル
39

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さらに
炭素繊維強化プラスチック（CFRP）による軽量化©BMW AG

大きな価格差 鉄～100円/kg vs. CFRP～5,000円/kg
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40

CFRPの製造

比重 1.5-1.7
強度 900-3000MPa
剛性 55-350GPa

名古屋産業科学研究所「次世代自動車産学官フォーラム 技術開発セミナー～ものづくり技術で拓くモビリティ新産業～」
http://www.nisri.jp/jisedai/seminar_20131010.html
梅元禎孝「ＣＦＲＰの材料、成形加工の最新技術と自動車への適用」
http://www.nisri.jp/jisedai/docs/lecture_20131010_umemoto.pdf
スライド11「プロセス比較」より

41
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自動車の軽量化の候補材料
比重

比強度
単位重量
あたり

ヤング
率

室温
加工性

溶接
接合性

製造
製造
ｴﾈﾙｷﾞｰ CO2

価格

ﾘｻｲｸ
ﾙ性

鉄鋼

7.8

30-200

210

○

○

1

1

1

○

アルミ

2.7

30-210

70

△

○

7

4.5

4～8

△

マグネ
シウム

1.9

50-200

45

×

△

8

4.5

13～
15

×

CFRP

1.5-1.7

60-400

55

×

×

14

12

50～
120

×

この他、材料としての供給性、耐食性、塗装性、など多くの特性が求められ、いずれも鉄鋼材料が優れる。
42

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自動車－軽量、安全に加えて加工性や溶接性、コストが不可欠

著作権等の都合により、ここに挿入されていた画像を削除しました

著作権等の都合により、ここに挿入されていた画像を削除しました自動車製造マシンの写真

自動車製造ラインの写真

43
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新たなる駆動系－FCV, EV, HV
燃料電池車
FCV

電気自動車
EV

ﾊｲﾌﾞﾘｯﾄﾞ車
HV

動力

モーターと
燃料電池

モーターと
蓄電池

モーターと
ｶﾞｿﾘﾝｴﾝｼﾞﾝ

必要
燃料

水素

電気

電気とｶﾞｿﾘﾝ

補給

水素ｽﾃｰｼｮﾝ

家庭の電源

ｶﾞｿﾘﾝｽﾀﾝﾄﾞ

走行
距離

やや長め

短め

長め

環境
性能

非常に良い

非常に良い

良い

重量

重い

重い

やや軽い

課題

コスト
水素ｽﾃｰｼｮﾝ

走行距離
充電時間
ﾊﾞｯﾃﾘｰ劣化

ﾊﾞｯﾃﾘｰ劣化

酸素

電流

モーター

燃料電池車

燃料電池

水素
タンク

水

JHFC水素・燃料電池実証プロジェクト
燃料電池自動車（FCV）のしくみ
http://www.jari.or.jp/Portals/0/jhfc/beginner/about_fcv/
を元に作成 素材：ICOOON MONO

電気自動車

環境展望台 環境技術解説 電気自動車（EV）図3
http://tenbou.nies.go.jp/science/description/detail.php?id=22

ハイブリッド車

カーセンサーnet 「自動車なんでも用語集」 2008年4月8日掲載
最終閲覧日：2017年6月28日

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44

モーター用磁石に必要なレアアース金属の輸入先
2012年（1～6月）
輸入量6102トン

2010年
輸入量2万8564トン
2

11 2

2 1
3

4
9

10
13
49

82

21

中国

フランス

ベトナム

米国

カザフスタン

その他

中国

フランス

ベトナム

エストニア

米国

ラオス

カザフスタン

その他

45
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特定な元素に頼らないマテリアル（元素戦略）

平成21年度 文部科学省新規・拡充事業
82．「元素戦略」（拡充）【達成目標10－4－1】
図2 基礎研究を結集して、様々な具体的材料創製成果を目指す「元素戦略」
http://www.mext.go.jp/a_menu/hyouka/kekka/08100105/086.htm（最終閲覧日：2017年6月28日）

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自動車に次いでCO2排出の多い飛行機

国土交通省 運輸部門における二酸化炭素排出量
http://www.mlit.go.jp/sogoseisaku/environment/sosei_environment_tk_000007.html
輸送量あたりの二酸化炭素の排出量（最終閲覧日：2017年6月16日）

g-CO2/km人
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Utoyko Online Education 学術俯瞰講義 2017 小関敏彦 CC BY-NC-ND

世界の航空旅客輸送の推移

2015年11月14日 航空業界、迫られる環境対応
中川希望
https://jp.ub-speeda.com/analysis/archive/20/（最終閲覧日：2017年6月16日）

Utoyko Online Education 学術俯瞰講義 2017 小関敏彦 CC BY-NC-ND

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飛行機の課題• 東京-札幌 900kmの場合
 B777-300型、満席470名で燃料 満タン10,450ℓ
 約1/2が機体、約1/3が燃料、約1/6が旅客+荷物• 旅客機の場合、機体軽量化が最優先
 ランニングコスト（燃料代）＋環境負荷低減
 Al合金：2024 超ジュラルミン、7075 超々ジュラルミン
 しかし重要部材はTi合金や鉄鋼、Ni基超合金• 一方、戦闘機は
 性能優先→高強度＋軽量、コスト意識低い
 Ti合金の選択
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強いアルミ合金 – ジュラルミン
• AlにCuを添加。Al-Cuのナノ化合物が熱処理（時効）によって均一析出し、転位の移動を妨
害• 更に高強度の超ジュラルミン
(A2XXX,Al-Cu-Mg), 超々ジュラ
ルミン(A7XXX, Al-Zn-Mg-Cu)へ
発展

公益社団法人日本鋳造工学会関東支部「アルミニウム合金の時効熱処理と析出硬化（第8回）」
http://www.j-imono.com/column/daredemo/64.html
図26 Al-4%Cu合金の析出相の電顕組織。(a)GP(1)ゾーン（150℃, 30min）（最終閲覧日；2017年8月29日）• ただし強度とともに、延性は低下50
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航空機の材料

Image from: Brian Smith (2003) The Boeing 777,
Advanced Materials & Processes 161(9) :41-44, p.42.
Reprinted with permission of ASM International.
www.asminternational.org
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更なる航空機の軽量化（ボーイング787）
著作権等の都合により、ここに挿入されていた画像を削除しましたボーイング787の写真
ANA
https://www.ana.co.jp/promotion/b787/special/

省エネ・低CO2には軽量化が重要
しかし
安全・安心は軽量化だけではダメ2015年11月14日 航空業界、迫られる環境対応
中川希望
https://jp.ub-speeda.com/analysis/archive/20/（最終閲覧日：2017年6月28日）

様々なマテリアルの組合せで両立
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Utoyko Online Education 学術俯瞰講義 2017 小関敏彦 CC BY-NC-ND

軽量化に向けた材料構成の変化（ボーイングの例）

2015年11月14日 航空業界、迫られる環境対応
中川希望
https://jp.ub-speeda.com/analysis/archive/20/（最終閲覧日：2017年6月28日）

Utoyko Online Education 学術俯瞰講義 2017 小関敏彦 CC BY-NC-ND

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航空機における性能や安全のための軽量化できない材料（Ti合金, Ni合金, 鉄鋼）
マルエージング鋼
著作権等の都合により、ここに挿入されていた画像を削除しました

Photo by Olivier,from Flickr
https://www.flickr.com/photos/oliviercabaret/5636894991/in/photolist9A7yuF-imACd-m7ZHFR-8j5oe-8P3TF-86sio-8AF3q4-FCXXWs-91FGs98gt8KH-imACc-m5NJEs-91CyWk-91FH7W-91FGXY-PmE97-T5GYC8zHnVP-91Cyg8-8rErS1-QDJYv-89snL9-iagLy-8ZtRh-91FHaj-91CA3V8Xmth2-91FFhJ-91CzTa-91FGdG-91FH51-aiXy7W-86sis-91FGJA91Czxc-91CydM-91CzNt-91CzFt-91FGTG-8zLvcj-8vjzZy-91CAqR91Cxee-91CzDk-91FGQC-951DEk-8q9xjZ-8HufST-a3BLn-91FHzq
CC BY-NC-ND 2.0（最終閲覧日：2017年6月28日）

ボーイングエンジン仕組み図
https://www.sec.gov/Archives/edgar/data/814250/00009501231011028
4/l41250exv99w1.htm

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航空エンジンの主流温度と代表的材料
Fan Disk, Blade
Vane, Case
鍛造Ti合金, 複合材

Compressor Disk
Blade,Vane,Case
鍛造Ti, Ni合金

Combustor Liner
板金Ni,Co合金

ファン

圧縮機

燃焼器

主流温度（ ）
℃

2000
1500
1000
500

Turbine,Blade,Vane
鋳造Ni,Co合金
Turbine Disk
鍛造Ni合金タービン
エグゾーストShaft
鍛造Ti,鋼 , Ni

ファン

出典：IHI

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高性能と環境のための鉄道車両の材料選択

N700S
Photo by sodai gomi,from flickr
https://www.flickr.com/photos/sodaig
omi/21161849181/in/photolistnBFrNS-75JTMW-6GsdVF-yf11uD
CC BY 2.0

北陸新幹線
Photo by i Hokuriku,from Wikipedia
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%8C%97%E9%99%
B8%E6%96%B0%E5%B9%B9%E7%B7%9A#/media/File:E7_F12_Shin-Takaoka_20150314.jpg
CC BY 2.1 JP

 軽量化のためにアルミ合金の適用。
 軽量化による省エネ・加速性能
 軽量化による快適性(制震・防音) 線路にも優しい 将来はマグネシウム合金の適用も視野（強度、難燃性が課題）
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高性能と環境のための船体用材料の選択
造船鋼材高強度化による船の大型化
著作権等の都合により、ここに挿入されていた画像を削除しまし
経済性と環境性能の両立
た
鋼板
強度

大型
コンテナ船

超大型
タンカー
(VLCC)

超大型
コンテナ船

大型タンカーの写真
全長300-400m
ドラム缶150万本（日本の石油半日分）

YP460

YP355

YP390

YP315
YP270

1970

1980

1990

年代

2000

全長400mコンテナ1万8000個（TEU）
2010（日本の外貿コンテナ貨物半日分）
Photo by Maersk Line ,from Wikipedia Commons
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%9E%E3%83%BC%E3%82%B9%E3%82%AF%E3%
83%BB%E3%83%88%E3%83%AA%E3%83%97%E3%83%ABE%E7%B4%9A#/media/File:Computer_generated_image_of_the_M%C3%A6rsk_Triple_E_Class_(cropped).jpg
CC BY-SA 2.0

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船舶の軽量化と同時に安全性の確保
著作権等の都合により、ここに挿入されていた画像を削除しました
石油連盟の油濁対策
http://www.pcs.gr.jp/index.html
2002年（平14） 11月16日 プレスティージ号沈没
http://www.pcs.gr.jp/doc/incident/incidents.ht
ml（最終閲覧日；2017年6月28日）

リバティ船 1942-46

2002

JFEスチール株式会社「衝突時の安全性を高める船舶用高強度厚鋼板をLPG船に世界初適用」
http://www.jfesteel.co.jp/release/2016/03/160314.html【図1】船舶衝突の概念図（最終閲覧日；2017年8月29日）

初期の多くの事故例

鉄鋼材料の性能向上
溶接技術、溶接部性能の向上
破壊力学の進展・実用化
耐破断性能に優れた鉄鋼材料
耐破断性能に優れた船体設計

船舶の衝突安全
衝突安全性の高い鋼材開発
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まとめ
移動体の性能、環境性能、安全の両立• 性能と環境性能の両立に軽量化が不可欠。駆動系が変わっても軽量化は有効。そのために材料の高強度化や軽量材料の開発が重要• 安全との両立には、材料の強度に加え、変形性能や耐破壊性能も重要• 構造体のライフサイクルの環境負荷の低減には、構造体運
転時に加え、材料の製造、加工、リサイクルに必要なエネル
ギーも低減する必要• そのために原子・ナノレベルからの解明と制御による材料の実現、工学の様々な分野と連携した構造体の実現が重要 59
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材料を視点とした工学
物理

機械

構造・物性・機能

材料

電気・電子

化学
構造体
デバイス

資源工学

資源・元素

ﾌﾟﾛｾｽ工学 製造・合成
加工

ﾃﾞｰﾀ科学

航空・宇宙
自動車・船舶
プラント
土木・建築
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統合型材料開発システム（内閣府SIP Proj.）• 新材料の開発は産業競争力、超スマート社会の基盤• 構造材料には複数の特性の両立、長期の性能・信頼性が必要• 新材料の開発には、長期試験・評価を経て10年必要• 蓄積された実験データ、理論、経験をデータベース化し、データ科学、情報科学を活用。計算科学と融合・同化することにより、少ない実験数、試験期間で、新しい材料を開発。
 第5期科学技術基本計画(Society5.0)
 米国のﾏﾃﾘｱﾙ・ｹﾞﾉﾑ・ｲﾆｼｱﾁﾌﾞ(MGI)、EUのFP7-ICMEと競合
 材料データベースの標準化で世内閣府 第5期科学技術基本計画 概要
http://www8.cao.go.jp/cstp/kihonkeikaku/5gaiyo.pdf
Utoyko Online Education 学術俯瞰講義（最終閲覧日：2017年6月16日）

界の先導を目指す
2017 小関敏彦 CC BY-NC-ND

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