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研究内容

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。

論文
書籍

所属学会

日本金属学会, 日本鉄鋼協会, その他

構造材料研究センター
タイトル

ノンパラメータ階層計算技術による耐熱・機能材料設計

キーワード

計算材料科学,構造材料,モンテカルロ法,フェーズフィールド法,全電子GW計算,酸化

概要

高温における材料開発のための従来の計算技術の多くは、実験データや経験的パラメータを導入して数値シミュレーションをおこなうため、予測能を持たない。一方、密度汎関数理論(DFT)に基づいた第一原理計算は、精度は良いが扱える時間・空間スケールが非常に小さく、基底状態の記述を与えるため、高温における材料特性評価には限界がある。本研究では、従来は実験データや経験的パラメータに依存した数値計算による材料開発支援を刷新し、独自の第一原理計算と粗視化計算技術を合わせた高度な計算技術を幅広い耐熱材料・機能材料に適用し、その設計指針を理論的に示すことで、実験家と連携しながら材料開発を進めている。

新規性・独創性

(1)材料中の様々な原子配置や欠陥を適切に表現するため、従来のモデルの問題点を改善した新規モデルの導入
(2)DFTのみに基づいた多元系合金状態図作成と高温材料特性予測
(3)材料中の化学反応機構の理論的解明による耐熱材料の高精度制御
(4)準粒子理論に基づき電子励起状態を扱う第一原理計算手法である全電子GW計算
(5)第一原理計算をよりマクロな計算手法へ連結する高度粗視化技術による合金微細組織予測

内容

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実験家と連携しながら、DFT計算により耐熱材料特性の理論解析をおこなっている。原子が複数個集まったクラスターの電子状態を単位として捉える「スーパーイオンモルフォロジー」解析や、局所的な規則原子配列を明示的に導入した合金モデルを構築することで、様々な耐熱材料やハイエントロピー合金の熱安定性解析をおこない、高温で安定して存在する結晶相の新たな発見につなげる。さらに、チタン合金の表面酸化機構とその添加元素の効果解明を進めている。
材料の詳細な電子特性解析には、DFTは精度が足りない場合がある。例えばDFTは半導体のバンドギャップを過小評価することが広く知られている。これを解決するため、本研究では準粒子理論に基づいた全電子GW計算を導入している。その第一原理計算プログラムには全電子混合基底法に基づいたTOMBO (TOhoku Mixed Basis Orbitals ab initio program)を用いる。これによりバンドギャップ定量予測とそのメカニズム解明を進め、生体用構造材料開発などをおこなっている。さらに、本手法の時間発展への拡張を進めている。
第一原理計算の粗視化によるマルチスケールモデル実現のため、異なるスケール間の境界条件を適切に考慮し、第一原理計算をよりマクロなスケールの格子モデル(モンテカルロ法)やフェーズフィールド法と連結できる手法開発を進めている。ポイントは、格子定数より短い長さのスケールの自由度を消去することで、連続空間での相互作用を離散空間での相互作用に適切にマッピングすることである。一連の研究で第一原理フェーズフィールド法(First-principles phase-field method、FPPF)を提案し、Ni-Al耐熱超合金をはじめとする合金の微細組織を一切のパラメータを用いずに予測することに成功しており、多元系へ拡張を進めている。

まとめ

本研究により、ミクロな構造とマクロな特性の正しい関係性を物理の基本法則のみで捉えることで、合金設計の指針となる基盤が得られ、構造材料・機能材料設計の精度が向上することが期待される。

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