SAMURAI - NIMS Researchers Database

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研究内容

Keywords

materials science, ceramic engineering, nano-engineering, nano-composites, electric current assisted sintering techniques (ECAST: SPS, reaction-driven spark plasma sintering (RD-SPS), 'flash sintering, 'flash'-SPS), nano-powders, nano-ceramic & composites, hard ceramic, tough ceramic, flexural strength behavior, ultra-high temperature ceramic (UHTC), ultra-high elevated temperature strength, superplasticity of brittle hard ceramics, dynamic toughness, highly ordered nano-scale structures, self-assembled magnetite-chitosan nanostructures, boron carbide, boron suboxide, titanium diboride, tantalum boride, tantalum carbide, niobium boride, niobium carbide, zirconium boride, hafnium boride, silicon carbide,vanadium diboride, zirconium oxide, energetic materials, nano-explosive synthesis, multication nanopowders, etc.

The next generation of aerospace, energy, and high-velocity transport systems will operate in regimes where conventional materials simply no longer function as usable matter. Advancing hypersonic, high-efficiency turbines, solar-thermal receivers, and plasma-facing components depends on ceramics that not only withstand extreme conditions but also maintain their integrity and function in environments that push beyond the limits of known materials. My research over the past twenty years has been driven by this challenge. I aim to establish the scientific basis for deformation-resistant ceramic materials that act not as brittle solids but as engineered systems capable of adapting, stabilizing, and maintaining performance where all existing equivalents fail. Through chemistry, microstructure design, defect engineering, and advanced processing, I investigate how transition-metal carbides, borides, and nitrides can be directed into deformation regimes once thought unreachable for ceramics. A central pillar of my work is the discovery of high-temperature strengthening pathways in classical UHTCs. These materials exhibit a level of mechanical resilience that fundamentally exceeds the performance envelopes of modern structural ceramics and composites, revealing deformation modes that redefine what is possible at ultrahigh temperatures. A second pillar involves hierarchical and architected ceramics. By designing controlled mesoscale architectures and phase networks, I have developed multiboride and carbide systems that retain structural integrity and load-bearing capacity under conditions in which traditional materials lose their solid-state identity. These architectures demonstrate that ceramics can be engineered into systems that remain functional well beyond the limits of conventional UHTCs. A third pillar is the exploration of high entropy ceramics as a discovery platform. These materials exhibit unique combinations of stability, adaptability, and deformation resistance that are unavailable in any binary or ternary ceramic system, opening a new domain of high-temperature materials science. My earlier work (2000–2015) laid the conceptual foundation for this program. Through nanoscale design, advanced densification routes, and early breakthroughs in toughened oxide ceramics, I developed the methodological tools and mechanistic intuition that now enable the creation of materials that operate in regimes previously considered unreachable. Across these directions, my long-term vision is to establish a framework for designing ceramics that remain stable, deformable, and strong at temperatures at which conventional materials fail. This framework will enable a new generation of UHTCs that expand the technological horizons of aerospace, energy, and extreme-environment systems. As a PI, my mission is not to refine existing materials but to define the next class of matter—materials that quietly, confidently, and irrevocably shift the limits of what technology can withstand.

出版物2004年以降のNIMS所属における研究成果や出版物を表示しています。

口頭発表
    その他の文献

      所属学会

      日本セラミックス協会

      電子・光機能材料研究センター
      タイトル

      耐変形性を有する多機能超高温セラミックス

      キーワード

      エンジニアリングセラミックス、変形抵抗、超高温強度、UHTC、ハイエントロピーセラミックス(硼化物および炭化物)

      概要

      現在、私たちは、超硬度・超高強度かつ高温における耐変形性に優れた超高温セラミックス(UHTC)である炭化物、ホウ化物、窒化物、およびそれらの複合材料を対象に、結晶科学工学の観点から研究を行っている。粉末合成法と通電焼結法の利点を組み合わせ、粉末成形体に対するプロセス設計を行うことで、形態・構造および組成上の特徴を制御・確立することで、優れた特性を有するバルクセラミックスの創製を実現する。

      新規性・独創性

      • 変形抵抗に優れる炭化物、ホウ化物、窒化物、およびその複合超高温セラミックス(UHTC)
      • 調和の取れた超高硬度、超高強度、靭性、弾性率
      • 優れた特性をもたらす形態・構造および組成上の特徴
      • コンバインドサイクル発電所におけるガスタービンの運転

      内容

      image

      変形に強いUHTC(超高温セラミックス)や高エントロピーセラミックス、さらにそれらの複合材料は、現在きわめて高い注目を集めている。階層的な超構造を有し、室温から2000 °Cの範囲で変形耐性を示す軽量かつ超硬質なバルクB₄C系複合材料(図1(a))は、変形メカニズムが脆性破壊から塑性変形へと遷移し、1800〜2000 °Cにおいて1000 MPaを大きく上回る曲げ強度を示す(図1(b, c))。負荷速度にも依存するが、このB₄C系セラミックスは2000 °Cで1000〜8400 MPaの強度を示した(図1(b))。
      バルク状の超高強度TiB₂–B₄Cセラミックスは、1800 °Cまで平均曲げ強度1000 MPaを維持し、2000 °Cでは1760 MPaへとさらに強度が向上する。近年では、バルク状で超硬質・高靭性・高い変形耐性を示すTa二ホウ化物、Ta一ホウ化物、Zr–Ta多成分ホウ化物、さらに高エントロピーTaB₂–ZrB₂–TiB₂–HfB₂も作製されている。

      まとめ

      エンジンや機体の防護材、航空宇宙用途の分割型セラミック製前縁(リーディングエッジ)部品、プラズマ対向機器、さらにはコンバインドサイクル発電所(グリッド、過熱器、再熱器、蒸発器、蒸気タービン、復水器、煙突など)のガスタービン稼働に関わるソーラータワー用セラミック部品など、多用途かつ耐変形性に優れた超高温セラミック(UHTC)への需要が高まっています。こうした背景から、極めて高い強度に加え、高靭性・高硬度・高弾性率のバランスが最適化された、新しいクラスのセラミック複合材料に対する世界的な需要が生まれています。

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