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MFS MATERIALS NEWS
ミルフィーユ構造の材料科学

2 0 18〜2 0 2 2 年度 文部科学省科学研究費助成事業 新学術 領域研究（研究領域提案型）

セラミックス材料におけるキンク変形・キンク強化
3大材料への展開のためのキーストーン
Interview ／ スペシャル鼎談
吉田 英弘（東京大学）、森田 孝治（物質・材料研究機構）
池田 賢一（北海道大学）

Close Up Research ／ クローズアップ研究増田 紘士（東京大学）

Latest News ／ 最新研究ニュース山崎 倫昭（熊本大学）、染川 英俊（物質・材料研究機構）
萩原 幸司（名古屋工業大学）、江草 大佑（東京大学）
多根 正和（大阪市立大学）、垂水 竜一（大阪大学）
藪 浩（東北大学）、伊藤 浩志（山形大学）WEB サイト一部リニューアル
Topics、編集後記

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／ スペシャル鼎談

セラミックス材料におけるキンクとは？
本新学術領域研究「ミルフィーユ構造の材料科学」では「キンク強化理
論の構築」
と共に
「3 大材料への展開」
を大きなテーマとして掲げております。
この目的を果たすためには 3 大材料のひとつであるセラミッ
クス材料におけるミルフィーユ構造やキンク形成・キンク強化の追求
がかかせません。
今回はセラミックス材料をターゲットにキンク強化に向けた研究を推進されている 3 名の方にオンライン上で対談頂き、セラミックスにおけるミルフィーユ構造、
キンク変形の位置づけやそれによる特性向上への道筋について議論して頂きました。

今回のファシリテーター
A02-3 研究代表者

君塚 肇

名古屋大学 教授
2020年から現職。主な研究テーマは材料物性の予測・設計のための数理モデリング。領域内ではA02-3班に所属し、原子・分子レベルの微視的因子に着目しながらキンク形成の素過程とその力学的要件の解明を進める。

君塚：そういう中で、MAX相は特別な存在ですか？

セラミックスにおけるミルフィーユ構造、
キンク変形とは？

森田：吉田先生も言われていたように、セラミックスには脆さという課題がつきまとってしまいます。
そういう意味で機械加工がで

君塚：まずはセラミックスの研究の中で、ミルフィーユ構造やキンきるという特性を持っているMAX相が注目を集めたんじゃな

クをどのように位置づけていらっしゃるかを伺いたいと思います。

いかなと思います。

吉田：セラミックスでは信頼性という部分が常にネックになって

池田：私は金属の集合組織などの観点からMAX相を見ていまいました。
キンクについては、
マグネシウムで強化に成功している

して、もともとセラミックスを扱った研究をずっとやっていたわ

わけですし、セラミックスに導入することによって、信頼性を獲得けではありません。MAX相にキンクが入ることについては、することができるのではないかという点に学問的な興味がありま

以前の新学術のときから知っていましたが、どう使うかというとすね。
もうひとつのキーワードとしてミルフィーユ構造があります

ころまでは中々、難しかったですね。物質・材料研究機構（以下が、セラミックスでは MAX相＊1 が本質的にミルフィーユ構造で

N I MS ）の目先生、鈴木先生のグループがセラミックス材料のすから、材料選択として素晴らしいと思いました。

配向研究を精力的に行っていることを知り、「 配向とキンクを上

君塚：MAX相は結晶構造そのものがミルフィーユ構造を持って手く使えたらいいな」と考えたのが私の研究のきっかけになりいるわけですが、それ以外のセラミックスで、異なるレイヤーをました。

複層化するという発想はあったんでしょうか。

君塚：MAX相を実用化する上で、配向制御の重要性を教えてい吉田：例えば、コンデンサなどでは以前からやられてきました。

ただいてもよろしいでしょうか。

ですが、それを構造材としてつくるとなると、多分、相当大変なこ

森田：我々は、機械特性を評価することをメインにしていましたとになると思います。

が、セラミックスは粉末プロセスの段階から材料をつくり込んで

森田：やられていたとしても、結局それで靭性が画期的に上がる

いくところが重要で、そこでできた組織が特性をほぼ支配しま

ことは少なく、皆さん、
苦労されていると思います。

す。
セラミックスの成形体を作製する際、強磁場中でスリップキャ
スト＊2 することで、粉末ひとつひとつの方位をそろえることがA04 公募研究代表者可能となります。この方法は、結晶構造の異方性が大きいMAX

吉田 英弘

相では特に効果的で、異方性結晶の配向性をそろえることで、

東京大学 教授引き出したい特性を最大限に引き出すことができます。我々も2019年より現職。主な研究テーマは、構造セ
ラミックスの高温変形、強電場下でのセラミッ
クスの力学応答ならびに焼結・微細組織形成。領域内ではA04班に所属し、高強度構造
酸化物セラミックスにおける異方性層状組織の形成に挑戦するとともに、その変形挙動、
特にキンク形成が及ぼす塑性変形への影響を明らかにすることを目指している。

N IMSの粉末プロセスグループと一緒にこの手法をはじめることになったんですが、当初は強度が上がるような方位に対して配向組織化させるというような研究をやっており、キンクについて
は、どちらかというとネガティブな印象しかありませんでした。
そうした中で池田先生からミルフィーユの研究に使えないかとお声がけいただきました。
君塚：プロセス自体をケアしてあげると、機械的な特性にかなりダイレクトに効いてくるということですね。

-2-吉田：また、
セラミックスには未だに規格がありません。ステンレ

成されていますが、その間がソフトマテリアルで埋められていまスだとSUS 3 0 4という規格がありますが、セラミックスでは、す

す。炭酸カルシウム自体が、それほど強い材料ではないのに、貝ごくポピュラーなアルミナでも、未だに標準サンプルと言えるよう殻を押しても中々割れない要因に、積層構造が影響しているとなものが、事実上ありません。少し不純物が入るとか、少し粉末いうことをヒントにMAX相の配向組織化がはじまりました。
き裂が凝集するだけで、全く特性が異なってしまうところが、セラミッを偏向させてジグザグに進展させることで強度が改善されるん

クスのプロセシングの面白さでもあり、恐さでもあるんです。
ですですが、そういう材料とキンクを上手く組み合わせる方法が見つから、機械特性を根本から見直そうと思った場合、プロセスから

かれば、さらに強靭化ができるのではないかと思っています。あスタートしないといけない。

と、キンクを上手く使うということでは、キンクができるとどうして

君塚：キンク形成の前のプロセスからつくり込むというところ

もデラミネーション（層間剥離）も形成されることが問題になりまで、相当の準備と検討が必要なんですね。

す。
ただ、
最近高温で変形させると、結晶粒中にキンクは形成され

池田：MAX相で私どもが最初に扱っていたTi 3 S i C 2 に関してるけれどもデラミネーションは必ずしも起こらないようなこともは、ある程度の条件をプロセスの先生方が確立されていて、そ見えてきてはいます。とはいえ、結晶粒の間に隙間が形成されてのご苦労を感じながら利用させていただいています。我々はそしまうという点が課題です。そういう部分をソフトマテリアルでの後の、どうして靭性値が上がるのかというところも含めて、キン埋めて、そこを補ってくれるような組織制御ができれば解決でき

クの重要性を伝えていければいいなと思っています。

るかもしれません。
一方で、デラミネーションが起きていないキン
クの部分で靭性を図れば、キンク自体が靭性の向上につながっ「キンク強靭化」という考え方ているということが今後確認できるかもしれません。

君塚：池田先生は、キンク強靭化という言葉を使われていま

積層構造の重要性すね。
池田：き裂をいかに迂回させるか、というところがセラミックスの君塚：貝殻は自然界で長い年月をかけて最適化された構造です

靭性値を上げると認識していますので、キンクが入ることで、破よね。つまり、非常に硬いが脆い物質と、ソフトな物質を層状に壊エネルギーを吸収する、き裂の進展を抑えるといったところに合わせ込むということを自然が選択したということですよね。

効いてくれば、それをキンク強靭化と言えればいいなと思ってい自然界が複層化を選んだということを工学的な観点から見た時ます。実際に、ビッカース試験では、室温でもかなり塑性変形しに、確かにこういう点で理にかなっているというようなことを思わているところでき裂が止められている観察結果が得られていれたから採用されたのだと思うんですが、その工学的な利点にます。

ついてもう少し補足していただいてよろしいですか。

君塚：高分子で靭性を上げるために犠牲結合＊3 という形でエ

森田：MAX相の場合は、結晶構造自体が原子レベルでうまくネルギーを散逸する仕組みを導入したり、金属だったらき裂先

ハードとソフトの層になっています。さらに、MAX相の間を例え

端で多量の転位が出てエネルギーが消費されたりなど、き裂をば金属のような材料で補ってあげる構造ができれば、もしかする

成長させないなんらかの仕組みという点で、セラミックスにもと貝殻の積層構造を模擬したような材料につながっていくかも当てはまる部分があるのかなと想像します。MAX相でキンクがしれないなということですね。

靭性向上にポジティブに使えるとしたら、どんな観点があるで

君塚：LP SO型マグネシウム合金でも原子レベルで硬質な溶しょうか。

質が濃化したようなレイヤーと、軟らかいマグネシウムの結晶が

森田：NIMS で MAX相の配向をやり始めた時に参考にした

結晶構造レベルで積層しています。さらには、全体として硬質のが貝殻の積層構造です。貝殻は炭酸カルシウムの積層で形フェーズとして使われるLPSO 構造を、もっと軟らかいマグネシ
ウムの粒が覆ってあげるような、階層的な層状構造になっています。
セラミックスの中でもハード、
ソフトというものをうまく組み合
わせることで、ハードの部分を生かしつつも、変形を補って緩和

A-04 公募研究代表者

森田 孝治

するような役割をソフトな相が担うことで、うまく両方を両立させ

物質・材料研究機構
主席研究員

るような戦略なのかなというところですね。

1997年に物材機構の前身である金材技研に入所、2 016 年から現職。
主な研究テーマは、高機能セラミックスの創製とその機能発現機構の解明。領域内では、A04 公募班として
MAX相セラミックスを対象にキンク
組織形成とキンク強化の解明に取り組んでいる。

森田：セラミックスでは温度を上げて固めていくという過程がど
うしても入りますから、
ソフトの部分が例えば高分子などですとなかなかつくり込みづらいんですね。そこを補ってくれるのは今のところ金属しかないのかなと思っています。
池田：私どもは、MAX相を硬質層として使って、バナジウムとい-3-

キンクライクな変形が入っていても不思議ではないと思っていて、

A04-1 研究協力者
A04 公募研究代表者

今、透過型電子顕微鏡観察を行っているところです。また、組み

池田 賢一

北海道大学 准教授

合わせを選ぶとデラミネーションが起きないんですね。
アルミナ

2014年から現職。
主な研究テー
マは、結晶性材料の力学特性と微細組織の関係ならびに金属材
料の組 織 形 成 過 程の解明。領
域内ではA04 班に所属し、MAX
相セラミックスTi3SiC2 配向焼結体を用いた力学特性の方位依存性とキンク変形の寄与を明らかにすることを目指すとともにキン
ク強化
（強靱化）
したセラミックスの創製にチャレンジしている。

とすべり系がかなり多いペロブスカイト＊4 構造の酸化物をペアにすることによって、アルミナ側の塑性変形にペロブスカイト側
が合わせてくれているのかなと思います。デラミネーションが起きないことが、材料全体の局所変形ですとか、せん断での破壊を防いでいるとしか見えないんです。軟質結晶・硬質結晶のペアからミルフィーユ構造をつくり込む、ということは、変形を助ける、
塑性変形できないものをできるようにするということで、意味

うBCC金属の中にバナジウム・アルミニウム系のMAX相を入のあることなんだとようやく分かってきたところです。

れてみました。
力学試験をやると、キンクは発生するんですが、
金

森田：吉田先生がおっしゃったように、セラミックスでは転位で属が補ってくれてデラミネーションがなかなか発生しないような

塑性変形が起こりづらいので、そのあたりが安定したキンク形状態も見えてきています。
これはどちらかというと金属のほうが成に重要になってくるのかなと、感じています。セラミックスでも主相なので、それを逆の状況にしてみると、もしかしたらまた面

いろんなすべり系を持った材料があるので、ミルフィーユ組織を白いことが起こるかもしれないなと思っています。また、緻密な持った材料でも、そのあたりをうまく組み合わせていくというの

サンプルの他にポーラス材もつくりました。ポーラス材と緻密材がひとつのアイデアかなと思います。

を用いて、キンクが入ることでいかに力学特性に影響を与えてい君塚：最後になりますが、若い方へのメッセージをお願いいたしるかということを比較できるような実験データをとることができます。

はじめましたので、そこをもう少し突き詰めて、MAX相単体で

池田：私のところは、つくるのは N IMSの先生方に助けていたのキンク強化をなんとか明らかにしていきたいなと思っています。

だかないといけないので、学生が森田先生のところでお世話に森田：キンク形成の条件を最適化していくことも、重要かなとなっています。すると、すごく刺激を受けて帰ってきますね。また思います。MAX相を高温変形させると、ある限られた条件で、森田先生のところの学生さんもうちに来ていただいて、1 週間

ひとつの結晶粒に限ってですが、デラミネーションが発生せずほど滞在しました。学生同士の交流がありますので、やはりそこに、
うまくキンクができることが確認できました。ただ、結晶粒とが大きかったかなと思います。

結晶粒の間にどうしても気孔（キャビティ）が形成されてきます。

吉田：コロナのために学生さんを自由に行き来させることが難し

キンク変形すると結晶粒の形状変化が起こりますから、そうするかったのですが、ようやく機会を見つけては、学生を学外に派遣と形状変化したところにキャビティが発生します。そのあたりをして実験させていただいています。
学生にとってはそういう機会

バルクの中でうまく緩和するような組織をつくり込んでいく必要が大事ですから、武者修行制度はぜひ使わせていただきたいとがあります。結晶を配向させた材料でキンクが機械特性に及ぼ思っています。

す影響を評価しようとした時にも、発生したキャビティが特性を下げる方向にいってしまうので、キンクがバルクにどう寄与して◆用語解説いるのかを評価する段階で、キャビティの発生が課題として上
君塚：吉田先生のご研究である微 細組織によるミルフィーユ＊1 MAX相
Mn+1AX n の化学式を持つ三元化合物（n=1〜3）の総称で、Mは遷移金属元素、A は A グループ元素、X は C または N となる。電気伝導性等の金属的性質と耐酸化性等のセラミックス的性質を併せ持つユニークな物質として注目されている。

構造について、こういったお話と、共通点や相違点はありますで＊2 スリップキャスト

がってきています。

セラミックスの成形プロセスの一種で、鋳込み成形法とも呼ばれる。
溶媒中に原料粉末を分散させたスラリーを石膏などの細孔構造を持つ鋳型に流し込むことで、溶媒が鋳型に吸収される過程で分散した原料粉末のみが堆積し、鋳型と同じ形状の成形体を得る方法。

しょうか。
吉田：残 念ながらキンク形成の確 認までいっていませんが、積層構造をつくると、材料の組み合わせによっては室温でも塑＊ 3 犠牲結合
高分子ゲルを主な対象とした材料の靭性（ねばさ）を高めるための一手法。
変形時に選択的に破断する壊れやすい結合を材料内部に導入することで、
ひず
みエネルギーを効果的に散逸させ、材料全体でのマクロな破壊を抑制する。

性変形することが見えてきました。実は、それ自体がかなりの驚きなんですよ。似たような取り組みは以前にも行われていましたが、結局塑性変形、ましてや室温でというのは実現しませんでし＊4 ペロブスカイト
結晶構造の一種であり、ここでは例えば B aTiO 3 やGdAlO 3 のように、ABX 3の組成式を持つ化合物（酸化物）を指している。
理想的には立方晶系の単位格
子持ち、立方晶の各頂点にA、体心に B、X（酸素）は立方晶の各面心に配置し
ている。

た。
ですが、
ナノスケールでミルフィーユ構造のつくり込みをしてやると、ちゃんと塑性変形をしてくれるということが分かって、
まずそこが我々にとってはすごく驚きでした。そういう意味では、-4-

／ クローズアップ研究

セラミックスにおけるキンク強靭化を目指して
硬くて脆いセラミックスがキンク変形できればどうなる？
セラミックスにおけるキンク研究の一端をご紹介します。

計を駆使した冷却システムと合わせて、3000℃に近い高融点と系セラミッ
優れた断熱性を兼ね備えた酸化ジルコニウム（Zr O2 ）クスからなるコーティングを施すことで超合金の融解を防いでいます。一方、タービン翼はバードストライクや火山噴出物などの衝突に曝される危険性があるため、こうした事故からセラミック

A02 公募研究代表者

増田 紘士

スコーティングをいかに保護するかはガスタービン全体の信頼東京大学 助教

性に関わる課題です。そこで、もしZrO 2 セラミックスをキンクに2019 年から現職。専門は構造材料の結晶欠
陥と力学特性。現在、MFS 第 2 期公募研究として「高対称性セラミックスにおけるキンク形
成機構の深化と展開」の研究課題に取り組んでいる。

よって強靭化することができれば、異物衝突に強い新しいコー
ティングが実現できるかもしれません。
第 1 期公募研究では、セラミックスの塑性変形能を評価する

セラミックス材料はどのようにキンクと向き合うべきか？

ことができる「マイクロピラー試験法」
を利用して、
そもそもZrO2
セラミックスがキンク変形できるのかを調査しました。数マイク

セラミックスとは金属を除く無機材料の総称で、陶磁器やガ

ロメートル寸法の微小な試験片を作製してその強度を評価す

ラスのような身の回りの道具から、半導体などの電子部品、切削るこの試験手法は、脆いセラミックスにも塑性変形を与えること

工具・耐火物のような産業部品などさまざまな用途で活躍してができる特徴があります。その結果、今回用いた Z rO 2 セラミッいます。構造材料としては、硬度・耐熱性・耐食性に優れること

クスは、荷重を加える結晶方位に応じて転位や双晶が活動するから金属材料の使用限界を超えた極限環境（航空宇宙・深海・

多彩な変形機構を示し、特に <111>方向に近い結晶方位から発電プラントなど）での用途が広がりつつあります。一方、セラ

荷重を加えた際にキンク変形（座屈変形）を起こすことが分か

ミックスの脆い性質は構造材料として致命的な弱点です。金属りました（図 1a）。透過型電子顕微鏡でのナノスケール解析を通や高分子材料とは異なり、セラミックスは塑性変形をほとんどじて、材料中には連続的な結晶方位変化を伴う「回転型キンク

起こすことができません。そのため、外力を加えた際に亀裂の周帯」が形成したことも明らかとなりました（図 1b）。特筆すべき

囲に発生する応力集中を緩和できず壊れてしまいます。

は、キンクが形成する条件では材料の靭性が向上する点です。

話は変わりますが、本誌でも度々取り上げられてきたように岩セラミックスコーティングの成膜時に結晶成長方位を制御するこ石からできた地層は塑性変形によって褶曲部（キンク帯）を作りとで、異物衝突への耐久性を高められるのではないかと期待し出すことが知られています。実は、岩石もイオン結合性の物質でています。

ありセラミックスの仲間と言えます。M F Sプロジェクトの公募

このように、第 1 期公募研究を通じてセラミックスにおける説明会で阿部先生から褶曲した岩石地層の写真を見せて頂い「キンク強靭化」の糸口を掴むことができたと思います。現在たとき、「岩石がキンクによって塑性変形できるなら、
セラミック

は、セラミックスにおけるキンク発生と靭性向上との関係を明らスでも同じことができるのではないか？」「、キンクを塑性変形機

かにするため、第 2 期公募研究において新たな課題に取り組ん

構として利用することでセラミックスの脆い性質を克服できるのでいます。再び本誌において成果を紹介できる機会を心待ちにではないか？」という考えが浮かびました。つまり、金属や高分子

しております。

材料における「キンク強化」とは別に、セラミックスでは「キンク強靭化」
こそを追求すべきではないかということです。

第 1 期公募研究を経てこの構想をもとに、第 1 期公募研究では「耐熱セラミックス
コーティングの強靭化を目指したキンク変形原理の解明」という課題を提案しました。航空機エンジンや火力発電に用いられる最先端ガスタービンの燃焼温度はタービン翼基材である超合

図1（a）
キンク変形を生じたマイクロピラーの電子顕微鏡像，（b）
断面の結晶方位マッピング（H. Masuda et al. Acta Mater. 203（2021）
116471より © Elsevier Inc.）

金の融点を遥かに超えています。そこでタービン翼には空力設-5-

A01-1 研究代表者

山崎 倫昭

熊本大学 教授

Mg-Zn-Y系LPSO相に形成される<0001>軸回転型キンクの幾何学的特徴とその形成機構の考察

展伸加工Mg-Y-Zn材の巨視的なイントリンシック
キンク強化

Formation of <0001>-rotation-type kinkboundary in Mg–Zn–Y alloy with long-period
stacking ordered structure,
Materials Science and Engineering A, 819,
141466 (2021) .
DOI: 10.1016/j.msea.2021.141466

Intrinsic kink bands strengthening
induced by several wrought-processes in
Mg-Y-Zn alloys containing LPSO phase,
Materials Characterization, 179, 111348(2021).
DOI: 10.1016/j.matchar.2021.111348

Mg/LPSO 二相 Mg-Zn-Y 合金押出材中に形成される <0001> 軸回転型キンクの幾何学的特徴を SEM-EBSD 測定および TEM 観察により調査する
とともに、
眞山准教授
（熊本大学）
による結晶塑性 FEM 解析結果をもとにその形成機構を考察した。これまで、底面 <a> 辷りに起因する <uvt0> 軸回
転型キンクの研究が盛んに進められてきたが、本報では LPSO 相中において、柱面 <a> 辷りが活動する高温で加工することにより、<0001> 軸回転型キンクが形成されることを突き止めた。底面と異なり柱面は c 軸を中心に
60°
回転毎に等価な面が存在するが、<0001> 軸回転型キンクはシュミッ
ト因子の最も高い単一の柱面 <a> 辷りのみにて形成し得ることが結晶塑
性 FEM により推測された。辷り系の異なるキンク変形の存在は、異種キン
ク同士の相互作用といった新たな現象を想像させる。

萩原 幸司

染川 英俊

物質・材料研究機構
グループリーダー

一方向凝固材および鋳造材に対し、溝ロール圧延法と押出法によって LPSO
相内にキンクを導入し、巨視的なキンク強化に及ぼす加工法（ひずみ導入法）と加工温度の影響について調査した。局所的なマイクロビッカース硬度は、
キン
クの有無およびキンク間隔と密接な関係があり、展伸加工法や温度に関係なく、
キンク間隔の緻密化にともない高い値を示すことを確認した。他方、キンク界面近傍の残留ひずみに起因し、加工温度が低温であるほど、高硬度化に対するキ
ンク間隔の寄与が大きくなることを確認した。本結果は、（低温で）緻密なキンクを導入することが高強度・高硬度バルク材創製に有効であることを示唆している。
また、
キンク組織を活用し、巨視的なイントリンシックキンク強化を表現した一例といえる。

図（a）
各種 Mg-Y-Zn 展伸加工材のキンク間隔とキンク強化分（= キンク含有相 - LPSO 相）の関係とキンク界面近傍の微細組織観察例（b）（c）（（b）
溝ロール材 - 加工温度100℃,（c）同 - 加工温度475℃ 図内白矢印はキンク界面を示す）

図 <0001>軸回転型キンクの幾何学的特徴

A02-1 研究代表者

A01-2 研究代表者

LPSOナノプレートによるMg
単結晶の異常な強度上昇

高温押出後に熱処理を施した
Mg-Zn-Y合金におけるキンク
界面緩和挙動Surprising increase in yield stress of
Mg single cr ystal using long-period
stacking ordered nanoplates,
Acta Materialia, 209, 116797 (2021).
DOI: 10.1016/j.actamat.2021.116797

Recovery features of kink boundaries
upon post-annealin g of a hot-extruded
Mg-Zn-Y alloy,
Materials Characterization, 177, 111153(2021) .
DOI: 10.1016/j.matchar.2021.111153

名古屋工業大学 教授

A02-2 研究協力者
A02 公募研究代表者

江草 大佑
東京大学 助教

LPSO 相を含む Mg–Zn–Y 三元合金が優れた機械的特性を示すことがこれまでに報告されている。これは LPSO 相が強化相として有効に機能する
ため、とこれまで考えられてきた。しかし本研究にて、二相合金の母相と同じ組成の Mg99.2Zn 0.2Y0.6 単結晶の力学特性を評 価したところ、その降 伏
応力は LPSO 単相合金の降伏応力とほぼ同等の値を示すことが明らかとなった。この異常な強度上昇は、「LPSO ナノプレート」と呼ぶ Y、Zn 元素が偏析した面欠陥の存在に由来する。Mg99.2Zn 0.2Y0.6 単結晶では、変形中のLPSO 相と同様にキンクバンド形成が生じ、結果として延性を伴う高強度化が実現した。
この結果は、
L PSOナノプレート組織の精密制御によっては、Zn および Yの含有量をはるかに減少させたうえで、機械的特性が現在のMg/LPSO 二相合金と同等、さらにはより優れた新しい超高強度 Mg 合金が開発できる可能性を示唆している。

LPSO 型 Mg 合金における平衡状態でのキンク界面構造を明らかとするために、
高温押出加工によりキンク界面を導入した Mg 97Zn1Y 2 合金に熱処理を施した試料を対象に透過型電子顕微鏡・走査透過型電子顕微鏡法（TEM・STEM）
および3 次元アトムプローブ法（3DAP）
を用いて微細組織を調査した。TEM・STEM 観
察より、
キンク界面はサブミクロンスケールに分割されたセグメント状の形態を取っており、回転角度に対応する底面刃状転位列により構成されていることが示された。
また、STEMおよび 3 D A P 観察より、界面に配列した刃状転位部では局所的な積
層変化に対応したナノス
ケール領域での溶質濃度低下が確認され、キンク界
面の高い熱的安定性を担保すると考えられた。観
察されたキンク組織の特徴的な構造は、キンク導入によりもたらされる回位の弾性エネルギー低減化を駆動力として形成されたと理解出来る。

図 キンク界面近傍 STEM像（上段）
および3DAP再構成結果（下段）

図 LPSOナノプレートによる，LPSO相に匹敵するMg単結晶の高強度化-6-Weitzenbock多様体によるらせん転位のモデル化と数値解析

層状の結晶構造を有するTi3SiC2
MAX相の弾性特性および層間の弾性不均質性の解明

A02 公募研究代表者

多根 正和

大阪市立大学 教授

Geometrical modeling and numericalanalysis of screw dislocation,
日本機械学会論文集 , 87, 20-00409 (2021).
DOI: 10.1299/transjsme.20-00409

Elastic isotropy originating fromheterogeneous inter-layer elastic
deformation in a Ti3SiC2 MAX phase witha nano-layered crystal structure,
Journal of the European Ceramic Society,41, 2278 (2021).
DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2020.11.026

MAX相セラミックスは特徴的な層状結晶構造のために、
塑性変形において非常に強い異方性を示すことが明らかにされている。
しかし、最も基本的な力学特性である弾性特性においては、その影響は十分に明らかにされていない。本研究では、Ti 3SiC 2 MAX 相に着目し、Ti 3SiC 2 単結晶の弾性特性をinverse VoigtReuss-Hill（iVRH）
近似を用いて実験的に明らかにした。
その結果、Ti 3SiC 2
MAX相は異方的な結晶構造を有するにもかかわらず、
ヤング率およびせん断弾
性率はほぼ等方的な挙動を示すことが明らかとなった。
また、第一原理計算を用いた解析の結果、Ti 3 SiC 2 MAX相は、層状の結晶構造を反映した層間の弾性不均質性を示し、その等方的な弾性特性は層間の弾性不均質性によってもたらされていることが明らかとなった。

A03-1

研究分担者

垂水 竜一

大阪大学 教授

微分幾何学に基づく連続分布転位論と数値解析（アイソジオメトリック解析）を組み合わせることで、らせん転位芯近傍における応力場の解析に成功した。
この理論では、らせん転位の塑性変形をWeitzenbock多様体を用いて表現し、これを Euclid 空間へ埋め込むことで力学状態を決定している。解析の結果、らせん転位芯においても応力は発散せず、転位芯遠方では従来の Volterra 転位論との定量的な一致が確認された。
この理論では、塑性変形状態の決定に数値解析を用いていることから、任意の転位配置および転位種類に対する力学場の解
析が可能である。
ミルフィーユ構造中のキンク変形およびキンク強化機構を転位論の立場から理解するためには、複雑な転位配置に対する非線形力学解析が必須である。本研究で構築した新しい転位論は、これらの議論に不可欠な理論的枠組みを提供するものと考えられる。

図 inverse Voigt-Reuss-Hill（iVRH）
近似によって決定したTi3 SiC2 単結晶のヤング率と第一原理計算（複数の文献値の平均値±標準偏差）
との比較
（論文より
Elsevier 社の許諾を得て転載）。

図 らせん転位の変位場と第２ピオラ・キルヒホッフ応力場

ポリロタキサンで修飾された強靭で透明なPMMAベースのポリマーブレ
ンドの物理的および形態学的特性

水に浮くほど軽いMg2Si・カー
ボン複合多孔体の低温合成

A04-1 研究分担者

藪 浩

H i g h l y Por ou s M a g ne s iu m S i l ici deHoneycombs Prepared by Magnesium
Va p o r A n n e a l i n g o f S i l i c a - C o a t e d
P o l y m e r H o n e y c o mb F i l m s t o w a r d
Ultralightweight ThermoelectricMaterials,
Chemistry of Materials, 32, 10176 (2020).
DOI: 10.1021/acs.chemmater.0c03696

東北大学
ジュニア主任研究者（准教授）

Mg2Si は熱電変換能を持つ金属間化合物として知られており、多孔質化により熱伝導率を低下させることで熱電変換効率の向上が期待されている。通常 Mg2Si
は溶解法や粉末冶金法等により合成されるが、通常 1000℃を超えるプロセス温度が必要であったり、形状の制御が困難である等の課題があった。今回我々は有機高分子多孔質膜の表面をゾルゲル法とUV-O3 処理によりシリカ被膜で覆い、その後 600 〜900℃で Mg 蒸気により還元することで、M g 2 Siとカーボンからなる多孔体の形成に成功した。得られたMg 2 Si 多孔体は水に浮くほど軽く、高い
電気伝導率と低い熱伝導率の両立に成功した。本手法はMg 2Siとカーボンからなるミルフィーユ構造の形成手法としても期待できる。

A04-2 研究代表者

伊藤 浩志

Physical and Morphological Propertiesof Tough and Transparent PMMA-Based
Blends Modified with Polyrotaxane,
Polymers, 12, 1790 (2020).
DOI: 10.3390/polym12081790

山形大学 教授

本研究では、ポリロタキサン（PR）で修飾された新規の強靭で透明なポリメ
タクリル酸メチル（PMMA）
ブレンドをいくつか作製し、これらの物理的特性とモルフォロジーを評価した。ここでは、マトリックス樹脂と PR との界面接着性を高めるために、PMMAと混和性のあるスチレン／メチルメタク
リレート／無水マレイン酸（SMM）
共重合体を反応性相容化剤として使用した。二軸溶融混練押出機を用いてポリマーブレンドを調製し、構造解析と物性評価を行った。相容化 剤 SM M の添加により、PMMA/PR は部分的に混ざり合い、PRドメインはナノ分散された。PM MA /S M M / P Rブレンドの表面硬度は、PMMAのそれよりも 15%だけ低下したが、破断伸度は 2.5倍に増加した。ノッチ付きシャルピー 衝 撃 試 験 では、PMMA/SMM/PR
ブレンドの衝撃強度は PMMAよりも 60% 向上し、剛性と延性のバランスが優れていることが示唆された。P Rは、PMMA/SMM/PRブレンドの塑性変形の起点となり、ナノスケールで微分散したP Rが起点となり、ボイドやクレーズの形成を引き起こすことが解析された。

図 有機高分子多孔体からのMg 2Si多孔体形成プロセス

図 SMMの添加によるPMMA/PRブレンドの応力‐ひずみ曲線と内部TEM像-7-

Webサイトを一部リニューアルしました
2021 年 11月より、MFS 新学術領域の WEB サイト
を一部リニューアルしました。
「トップページ」のデザインを一新し、また、「最新研究」ページを新たに準備して、新学術領域研究において得られた成果をご紹介しております。さらに、「活動報告」ページから、本ニュースレターのバックナンバーも閲覧できるようにいたしました。
皆様のアクセスをお待ちしております。

https://www.mfs-materials.jp/index.html【これまでの活動】【今後の活動】◆ 9/14-17：日本金属学会秋季講演大会（Web開催）◆ 3/2：ミニ国際ワークショップ（品川プリンスホテル：ハイブリッド開催）◆ 11/10：第1回軽金属学会「LPSO/MFS 構造材料研究部会」（Web開催）◆ 3/3-5：令和3年度年度末報告会（品川プリンスホテル：ハイブリッド開催）◆ 11/13-14：軽金属学会秋期大会（Web開催）◆ 3/15-17：日本金属学会春季講演大会（Web開催）◆ 12/16-18：令和三年度研究会（Web開催）◆ 3/29：第3回軽金属学会「LPSO/MFS 構造材料研究部会」（Web開催）◆ 5/28-29：軽金属学会春期大会（Web開催）◆ 1/21：第2回軽金属学会「LPSO/MFS 構造材料研究部会」（Web開催）

編集後記
本号では「セラミックス材料×キンク」を題材とした領域メンバーの鼎談および研究トピック
スをご紹介いたしました。異分野の研究者が交わって研究をすすめることで、プロセス・信頼性といったセラミックス材料に特徴的な課題を乗り越えていくと共に、「キンク強靭化」といった
新しいアイデアも提案されており、新学術領域ならではの内容かと存じます。また、編集委員のご協力により Web サイトリニューアルを行い、研究成果や News letter バックナンバーなどが非常に読みやすくなっております。
この機会にぜひアクセスください。
当新学術領域も最終年度を迎えますが、引き続き、最先端の領域研究成果をご紹介できる

情報発信・知財部会長
三浦 誠司（北海道大学）

編集委員／

江村 聡 （NIMS）
小川 由希子（NIMS）
藪 浩 （東北大学）
安藤 大輔（東北大学）
瀧 健太郎（金沢大学）
光原 昌寿（九州大学）
江草 大佑（東京大学）

江草 大佑
東京大学 助教

ように、次号も鋭意制作進行中です。
どうぞご期待ください。

編集長／

A02-2 研究協力者
A02 公募研究代表者

プロデューサー／ 礒部 志保（STUDIO F）
クリエイティブ・ディレクター／ 森 葉子（STUDIO F）
デザイナー／
藤岡 陽子
取材・制作／STUDIO F
発行／
編集発行／

2022年3月
MFS事務局

https://www.mfs-materials.jp
MFS事務局：九州大学大学院総合理工学府内 中島・光原研究室
MFS@ mms.kyushu-u.ac.jp 092 - 583 -7619