本研究室では、学際的アプローチにより新しい微小材料システムを創出することを目指した研究を行っている。具体的に、マイクロ/ナノ材料が有する優れた物理的諸特性を十分に活用するために、ジュール熱を用いた金属細線等の接合・切断手法を開発している。金属細線同士の接触部に一定直流電流を付与した際、接触部はジュール熱により局所的に溶融し、その後、同部は自発的に凝固する。この現象を支配する因子を発見することにより細線同士を高確度に接合することに成功している(図1)。またジュール熱を利用した金属細線の省エネルギー熱処理手法を開発して結晶組織を制御している。さらに当該ジュール熱接合・切断手法を活用して、電極チップ上に極微小電磁気素子として機能する自立型マイクロリングを作製する等、細線等の素材から新しい微小材料システムを創出することに取り組んでいる。
金属薄板/細線に熱電機能を付与する研究を行っている。一部以外を電気的に絶縁した鉄薄板にアルミニウム薄膜を蒸着して異種金属界面を形成することで、薄板の長手方向の温度勾配に起因して発電する独自の薄板型熱発電機を作製すると共に、当該異種金属界面の酸化により性能が向上することを見出している。また同様の原理に基づく、熱電マイクロワイヤを作製することにも成功している。
水と被検査物との間に高分子薄膜等を挿入し、薄膜と被検査物との固体接触界面に圧力を付与した状態で高周波数超音波を高効率に伝達する独自のドライ超音波法を開発し、これにより電子部品の水非接触下における高分解能内部可視化に成功している(図2)。さらに当該超音波伝達系等で生じる音響共鳴を利用した各種超音波材料評価手法を開発し、高分子薄膜や塗膜の検査に応用している。
微細材料から次世代材料システムを創出するには、これら材料の物理的諸特性を正確に把握する必要がある。機械的特性評価に関して、極微小力を計測する荷重センサを試作して金属極細線等の材料試験を実施している。また周期的な磁場変動により材料表面層に流れる渦電流を利用した渦電流顕微鏡法や、マイクロスケール電位差法により、微細材料の電気的特性を評価することに成功している。
長期に亘り成長する毛髪や爪は様々な情報を記録しており、これらの物理的諸特性は今後様々な分野で活用される期待が大きい。機械的特性の一例として、毛髪や爪の外形寸法によらない曲がりにくさを表す指標を提案して様々な処理や含有金属イオン量の変化が毛髪や爪の曲がりにくさに及ぼす影響を評価することに成功している。また毛髪の形状を決定づける因子の解明に取り組んでいる。
本研究室では,カーボンニュートラル実現に向けて熱可塑性樹脂あるいは炭素繊維やナノフィラーを含有した熱可塑性樹脂複合材料を活用したグリーンマテリアルシステムの創成に向けた研究開発を行っている.例えば,3D積層造形による付加製造や異種材料への直接接合を進めることで,切削・接合工程の削減が可能となる.また,接着剤による接合は,機械的締結のための穿孔加工や締結作業の削減に寄与するだけでなく,金属ファスナー削減による軽量化でCO2排出量削減にも貢献するものであり,今後さらなる接着剤用ポリマーの高性能化や接着界面の改質,接着メカニズムの解明が求められる.今後は素材のリサイクルを考慮した材料設計も重要であり,複合材料のカスケードリサイクル,熱可塑性樹脂の溶融・固化による材料劣化挙動の理解や生分解性プラスチックの利用も視野に入れた研究を進める.
本研究室では,①樹脂合成,複合材料の成形・3D積層造形などの材料合成・成形と②引張試験・界面破壊靭性試験,熱分析,構造観察などの実験評価を基盤としながら,③有限要素解析,分子動力学シミュレーションなどの解析も援用した研究開発エコサイクルを循環させることで,効率的な新材料の開発や構造・変形・破壊挙動の解明に関する研究を推進している.
近年,熱溶解積層(FFF)方式の3Dプリンタを用いた複合材料の造形技術が開発され,高強度・高剛性な複合材料を低コスト,短時間で自動的に立体造形できるようになってきている.本研究では,金属基板上に熱可塑性樹脂複合材料を直接造形したマルチマテリアル材料を開発し,接合界面のモードI,II破壊靭性およびラップシェア強度を実験・有限要素解析の双方から評価を行う.
ポリマーアロイは,エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂の低靭性を改善するために熱可塑性樹脂をブレンドした言わば熱硬化性樹脂/熱可塑性樹脂複合材料である.本研究では,相分離系ポリマーアロイのネットワーク構造および各種材料特性の発現メカニズムを電子顕微鏡や分光分析による先端計測と分子動力学シミュレーションによる分子構造モデリングにより解明することを目指す.
熱可塑性樹脂複合材料は,再成形,低コスト製造が可能かつ低環境負荷であるサステナブル素材として近年注目を集めている.グリーンマテリアルシステム創成のためには,成形条件の影響や,溶融・固化過程における樹脂の構造・特性の変化を十分に理解する必要がある.本研究では,熱可塑性樹脂や複合材料の溶融・再固化サイクルを経ることによる構造・特性の変化の解明に取り組む.