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マクロおよびナノポーラス金属の開発最前線(普及版)

  • Recent Development in Research of Macro- and Nanoporous Metals(Popular Edition)
2011年刊「マクロおよびナノポーラス金属の開発最前線」の普及版!多数の気孔を有するポーラス金属、次世代の工業材料として期待が高いマクロおよびナノポーラス金属の製法、特性評価、応用展開を詳述!!

商品コード: B1213

  • 監修: 中嶋英雄
  • 発行日: 2017年8月8日
  • 価格(税込): 6,048 円
  • 体裁: B5判、281ページ
  • ISBNコード: 978-4-7813-1206-4

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  • マクロポーラス金属の作製方法(アルポラスの製法および特性/他) / マクロポーラス金属の物性と特性 / マクロポーラス金属の応用(ポーラス金属を用いた生体材料/他) / ナノポーラス金属の作製方法と物性

刊行にあたって

 工業用バルク素材のほとんどのものは,粉末焼結法や溶解・鋳造法によって製造されている。その際に生成される気孔は材料の機械的性質や種々の物理的・化学的性質を著しく損なわせる有害なものとみなされてきた。そして充填率の高い,高密度の材料を製造することが高性能製品には不可欠の条件と考えられてきた。そのために,従来は如何に気孔のない緻密材料を開発するかに材料研究の主眼が置かれてきた。しかしながら,金属材料に意識的に気孔を生成させることによって材料に新たな機能性を付与しようとする試みもなされている。すなわち,従来は忌み嫌われていた多孔質(ポーラス,porous)化を材料に積極的に導入して機能性材料として利用しようとするものである。このような多孔質材料は決して目新しいものではなく,木材,骨,葉や茎などの天然材料からハニカムフォーム,食品のような人工製品に至るまで我々の身の周りには実に多くの多孔質材料が存在していて,むしろ気孔のない緻密な材料を探すのが容易でないくらい,多孔質材料はごくありふれた材料であるということができる。我々の体内に内蔵される大腿骨,脛骨,椎骨などの骨も実は強度と軽量化をうまく利用したポーラス材料である。
 従来の材料開発の研究手法の基本は結晶構造や微細組織の材質制御であった。ところが,ポーラス金属の研究では視点を変えて気孔の形態を積極的に制御した材料開発研究を目指している。このような気孔形態制御を金属材料に積極的に取り込んだ材料開発手法は従来あまり研究されておらず斬新な材料研究として注目されている。
 気孔径がミクロンオーダーから数mmに及ぶ大きさの気孔を持つポーラス金属をマクロポーラス金属と呼び,気孔径がミクロン以下のナノスケールのポーラス金属をナノポーラス金属と呼ぶことにする。マクロポーラス金属は高い吸音性,制振性,衝撃吸収性,流体透過性などの機能性や軽量性などの優れた特性を有する材料であり,製法から各種物性や応用に至るまで幅広い研究開発がなされている。このマクロポーラス金属には,増粘させた溶融金属に水素化物を混入させ発泡状態にしたものを凝固させた発泡金属,粉末を焼結させて粉末粒子間の空隙を利用したポーラス金属,溶融金属に溶け込んだガスを凝固によって気孔を生成させたポーラス金属などが挙げられる。後者は凝固方向に気孔の向きをそろえることができるので,ロータス(蓮根)型ポーラス金属として知られている。これらのほとんどのポーラス金属の気孔は閉気孔(クローズドポア)であるが,ポリウレタンフォームに金属を厚く電気メッキしてその後,ポリウレタンフォームを焼成して作製した開気孔(オープンポア)のポーラス金属も存在する。また,金属粉末と水素化物粉末とを混合し圧縮固化したものを高温で加熱して生じた水素ガスを膨張させたポーラス金属などが開発されている。これらのマクロポーラス金属の気孔の形態は気孔率(気孔の占有する体積率),気孔サイズ(気孔直径),気孔の向き,気孔の長さ(気孔が球状ではなく異方性がある場合)などの因子によって特徴づけることができる。一方,マクロポーラス金属の強度はセル壁の形状,厚さ,セル(気孔)の大きさの均一性などの因子で左右される。このようなマクロポーラス金属の研究は欧州と日本が中心となり製法から物性に至るまで幅広く活発な研究が展開されている。
 一方,ナノポーラス材料は無機多孔質材料のシリカゲルやゼオライトなどがよく知られており,触媒や吸着剤,イオン交換材として広範に利用されてきた。これらは分子レベルの空隙を利用して異種分子を取り込んだり,分子ふるいとしての機能を果たしている。ところが,ナノスケールの気孔サイズを持つナノポーラス金属材料の研究は,10年前まではほとんど行われてこなかった。最近ではナノサイエンスの材料研究と相まってナノサイズを有するポーラス金属の研究が活発に行われるようになってきた。気孔サイズをマクロからナノスケールにサイズダウンすることによって,ナノ気孔と転位との相互作用や電子・フォノンの平均自由行程との相互作用など物性の発現機構に敏感に影響して新奇な物性が発現されることも期待できる。また,金属製のゼオライトのような構造を作ることによって無機多孔質材料では期待できなかった新しい現象も生まれる可能性もある。このように,ナノポーラス金属の研究は多くの可能性を秘めた魅力的な材料であるといえる。
 ところで,ナノポーラス金属の製法としては50nmオーダーの孔を選択的にエッチングして物質を直接的に取り除くという,いわゆる「トップダウン的な手法」と原子空孔(~0.1nmオーダー)を集積させて数十nmオーダーの孔を形成させる,いわば「ボトムアップ的な手法」とに分類することができる。本書ではこれらの製法や触媒,光学的性質,機械的性質と電気特性について最近の研究成果を紹介している。
 マクロポーラス金属の製法に関しては量産化や実用化を目指した高度化技術の進展が見られ,新しい手法による各種物性の解明も進みつつある。今後は,これらの基礎的研究に基づいた応用,実用化研究が本格的に進められていくことが期待されている。一方,ナノポーラス金属の研究はごく最近,開始されたばかりであり,研究の力点はまだ製法に置かれている段階である。今後,製法が確立されれば物性研究やそれを利用した応用開発研究へと進展していくことが期待される。いずれにしてもポーラス金属は今後,基礎研究および応用実用化開発の両面において大きな進展が期待できる魅力的な素材であると考えられる。
(「巻頭言」より)

<普及版の刊行にあたって>

 本書は2011年に『マクロおよびナノポーラス金属の開発最前線』として刊行されました。普及版の刊行にあたり、内容は当時のままであり加筆・訂正などの手は加えておりませんので、ご了承ください。

2017年8月  シーエムシー出版 編集部

著者一覧

中嶋英雄   大阪大学 
三好鉄二   神鋼鋼線工業(株) 
金武直幸   名古屋大学 
北薗幸一   首都大学東京 
半谷禎彦   群馬大学
宇都宮登雄  芝浦工業大学 
井手拓哉   大阪大学
和田武   東北大学 
斉藤英敏   富山住友電工(株)  
馬渕守   京都大学 
門井浩太   広島大学
中江秀雄   早稲田大学 
鈴木進補   早稲田大学 
田中敏宏   大阪大学
鈴木賢紀   大阪大学
平井信充   大阪大学
西籔和明   近畿大学 
上野俊吉   日本大学 
小林正和   豊橋技術科学大学 
戸田裕之   豊橋技術科学大学 
多根正和   大阪大学 
関宏範   芝浦工業大学
宇都宮裕   大阪大学 
藤本慎司   大阪大学 
中田一博   大阪大学 
吉村英徳   香川大学 
中野貴由   大阪大学 
吉川秀樹   大阪大学 
樋口裕一   大阪歯科大学 
千葉博   三菱電機(株) 
大串哲朗   広島国際大学 
樫原一   (株)森精機製作所 
永留世一   川崎重工業(株) 
吉見享祐   東北大学 
袴田昌高   京都大学 
谷本久典   筑波大学 
藤田武志   東北大学 
土谷博昭   大阪大学 
仲村龍介   大阪大学
三原豊   香川大学 

執筆者の所属表記は、2011年当時のものを使用しております。

目次

第1章 マクロポーラス金属の作製方法
1 アルポラスの製法および特性
1.1 はじめに
1.2 製造法
1.2.1 製造工程
1.2.2 溶融アルミニウムの増粘法
1.2.3 溶融アルミニウムの発泡
1.3 特性
1.3.1 組織
1.3.2 機械的性質
1.3.3 吸音性
2 超軽量クローズドセル型ポーラス金属の作製方法
2.1 はじめに
2.2 粉末プリカーサ法
2.2.1 発泡プロセスの概要
2.2.2 プロセスの特徴と応用技術
2.3 燃焼合成発泡法
2.3.1 発泡プロセスの概要
2.3.2 プロセスの特徴と応用技術
2.4 まとめ
3 超塑性を利用した新機能ポーラス金属の創製
3.1 はじめに
3.2 板材からのポーラス金属の作製
3.3 超塑性の利用
3.3.1 変態超塑性
3.3.2 超塑性拡散接合
3.3.3 超塑性成形/発泡プロセス
3.3.4 ポーラスZn-22Al超塑性合金
3.4 おわりに
4 摩擦攪拌による発泡金属作製
4.1 はじめに
4.2 摩擦攪拌を用いた発泡金属作製法
4.3 傾斜機能ポーラスアルミニウム
4.4 サンドイッチパネル
4.5 発泡剤レスポーラスアルミニウム
4.6 おわりに
5 高圧ガスを用いた一方向気孔を有するロータス型ポーラス金属の製法
5.1 はじめに
5.2 高圧ガスを用いたロータス金属の作製法
5.2.1 鋳型鋳造法
5.2.2 連続帯溶融法
5.2.3 連続鋳造法
5.3 おわりに
6 ガス化合物熱分解法によるロータス型ポーラス金属の製法
6.1 はじめに
6.2 ガス化合物熱分解法によるロータス銅の作製
6.3 ガス化合物熱分解法によるロータスアルミニウムの作製
6.4 ガス化合物熱分解法によるロータス鉄の作製
6.5 おわりに
7 ロータス型ポーラス金属間化合物の作製と機械的性質
7.1 はじめに
7.2 水素加圧雰囲気下での一方向凝固によるロータス型ポーラスNi3Alの作製
7.3 ロータス型ポーラスTiAlの作製と機械的性質
7.4 おわりに
8 ロータス型ポーラスシリコンの作製
8.1 はじめに
8.2 ロータス型ポーラスシリコンの作製方法
8.3 ロータス型ポーラスシリコンの特徴
8.4 気孔率の水素分圧依存性
8.5 おわりに
9 ポーラス金属ガラスの作製と性質
9.1 緒言
9.2 過冷却液体状態での粘性流動を用いたポーラス金属ガラスの作製法
9.3 高圧水素を利用した微小気泡を含むPd-Cu-Ni-P金属ガラスの作製
9.4 微小水素気泡を含むPd基金属ガラスの過冷却液体発泡
9.5 Pd基ポーラス金属ガラスの力学特性
9.6 結論
10 セルメットの作製と応用
10.1 緒言
10.2 セルメットの特徴
10.3 セルメットの製造方法
10.3.1 Niセルメットの製造方法
10.3.2 Ni-Crセルメットの製造方法
10.3.3 異なる製法の検討
10.4 セルメットの仕様
10.5 セルメットの応用
10.5.1 電池材料
10.5.2 フィルター材料
10.5.3 触媒担持体
10.5.4 サイレンサー
10.5.5 電解電極
11 スペーサ法によるポーラス金属の開発
11.1 はじめに
11.2 焼結スペーサ法によるポーラスアルミニウムの作製
11.3 焼結スペーサ法によるポーラス銅の作製
11.4 そのほかのポーラス金属
11.5 おわりに
12 溶融金属発泡法による発泡アルミニウムの作製と気泡安定性制御
12.1 はじめに
12.2 気泡の安定性
12.2.1 溶融アルミニウムの表面張力と粘度
12.2.2 固液共存液体の粘度と気泡安定性
12.3 溶融金属発泡法と諸現象
12.3.1 増粘工程
12.3.2 発泡剤の特性と熱分解過程の制御
12.3.3 発泡剤の添加・分散および発泡工程
13 ロータス型ポーラス金属の凝固組織制御
13.1 はじめに
13.2 純金属の凝固組織と気孔形態
13.3 合金の凝固組織と気孔形態
13.4 まとめ
14 低環境負荷微細孔材料作製の試み
14.1 緒言
14.2 表面微細孔組織の形成と特異拡張濡れ
14.3 ガラスの分相と微細孔材の熱力学データベースを利用した設計の試み
14.4 水熱反応を利用した微細孔材料の作製
14.5 結言
15 金属粉末射出成形によるマイクロポーラス金属精密部品の製造法
15.1 金属粉末射出成形によるポーラス金属部品の製造の必要性
15.2 パウダースペースホルダー金属粉末射出成形法およびその特徴
15.3 パウダースペースホルダー金属粉末射出成形法によるポーラス部品の形状付与と構造制御
15.4 パウダースペースホルダー金属粉末射出成形法によるポーラス部品の寸法精度
15.5 まとめ
16 ロータス型ポーラスセラミックスの作製
16.1 はじめに
16.2 ロータス型ポーラスアルミナの作製
16.3 ロータス型ポーラスアルミナの気孔形成機構
16.4 溶解原料に含まれる不純物の気孔形成へ及ぼす影響
16.4.1 シリカの添加効果
16.4.2 ガラス成分(シリカとカルシア)の添加効果
16.5 おわりに

第2章 マクロポーラス金属の物性と特性
1 3D/4Dイメージングによるポーラス金属の力学的性質評価
1.1 はじめに
1.2 セル壁内部の不均質構造
1.3 変形・破壊挙動
2 ロータス型ポーラス金属の機械的性質(Ⅰ)
2.1 はじめに
2.2 ロータス金属の弾性率
2.3 ロータス金属の引張強度
3 ロータス型ポーラス金属の機械的性質(Ⅱ)
3.1 はじめに
3.2 AE法を利用したロータス銅の引張変形挙動の解析
3.3 圧縮変形挙動のひずみ速度依存性
4 ロータス型ポーラス金属の疲労特性
4.1 はじめに
4.2 応力振幅と破壊までのサイクル数の関係
4.3 気孔率・負荷方向と疲労強度の関係
4.4 疲労強度と引張強度の関係
4.5 疲労寿命に及ぼす気孔の傾きの影響
4.6 疲労寿命に及ぼす気孔径分布の影響
4.7 疲労試験後の破面
4.7.1 ロータス銅の気孔の長手方向(凝固方向)に対し平行な方向に繰り返し荷重を加えた場合
4.7.2 ロータス銅の気孔の長手方向(凝固方向)に対して垂直な方向に繰り返し荷重を加えた場合
4.8 まとめ
5 ロータス型ポーラス金属の吸音特性
5.1 はじめに
5.2 吸音率の測定方法
5.3 ロータスマグネシウムの吸音特性
5.4 おわりに
6 ポーラス金属の塑性加工による成形と材質制御
6.1 はじめに
6.2 ポーラス金属の塑性加工の利点
6.2.1 所望形状への成形
6.2.2 気孔率および気孔形態の制御
6.2.3 機械的性質の改善
6.2.4 機能・特性の向上
6.2.5 圧着材の特異な組織と特性の利用
6.2.6 複雑な断面形状を有する材料の創製
6.3 ポーラス金属の圧延加工
6.4 ロータス銅の圧延特性
6.5 おわりに
7 ロータス型ポーラス金属の腐食特性
7.1 はじめに
7.2 腐食現象の電気化学平衡と速度論
7.3 腐食の形態
7.3.1 孔食
7.3.2 すき間腐食
7.4 ポーラス金属の腐食挙動の特徴
7.5 ロータス型ポーラスオーステナイトステンレス鋼の腐食挙動
7.6 Nを合金化した,ロータス型ポーラスNiフリーオーステナイトステンレス鋼の腐食挙動
7.7 ロータス型ポーラス金属の防食対策
8 ロータス型ポーラス金属の接合
8.1 一般的なポーラス金属の溶接・接合
8.2 ロータス型ポーラス金属の溶接・接合
8.2.1 溶接部の溶込み形状に及ぼす気孔成長方向異方性
8.2.2 ロータス型ポーラス銅のプラズマブレーズ溶接性
8.2.3 大型ロータス型ポーラス炭素鋼の溶接
8.3 おわりに
9 ECAEを用いたロータス型ポーラス金属の強化
9.1 はじめに
9.2 ロータス金属のECAE加工
9.3 まとめ
10 中空金属球(MHS)成形体の特性評価
10.1 MHS成形体の構造および主な作製方法
10.2 MHS成形体の機械特性
10.2.1 MHS成形体の圧縮特性
10.2.2 パイプ外套材の圧縮特性
10.3 MHS成形体の曲げ特性
10.3.1 MHS成形体の曲げ試験
10.3.2 パイプ外套材の曲げ特性

第3章 マクロポーラス金属の応用
1 ポーラス金属を用いた生体材料設計
1.1 はじめに
1.2 生体材料設計におけるポーラス金属の役割
1.3 セメントレス固定のための人工股関節の表面ポーラス化
1.4 積層造形法とポーラス化形状設計
1.5 造形ポーラス体インプラントによる骨再生
1.6 骨でのアパタイト配向性とそれに基づく異方性ロータス型ポーラス金属への良質な骨侵入
1.7 ポーラス金属を用いた近未来型生体材料の設計
1.8 おわりに
2 ポーラス金属を用いた生体材料
2.1 はじめに
2.2 顎骨再建への応用
2.3 インプラントへの応用
2.4 おわりに
3 ロータス型ポーラス金属を用いたヒートシンク開発
3.1 まえがき
3.2 ポーラス金属を用いたヒートシンクの種類
3.2.1 発泡型ポーラス金属を利用したヒートシンク
3.2.2 細管群を利用したヒートシンク
3.2.3 ロータス型ポーラス金属を利用したヒートシンク
3.3 あとがき
4 ロータス型ポーラス炭素鋼を用いた工作機械の移動体
4.1 ロータス炭素鋼を用いた移動体の製作
4.1.1 ロータス炭素鋼厚鋼板の作製
4.1.2 サドルの製作
4.2 工作機械の特性評価方法
4.2.1 静剛性測定試験
4.2.2 残留振動測定試験
4.2.3 切削試験
4.2.4 消費電力測定試験
4.3 特性評価試験結果
4.3.1 静剛性測定試験
4.3.2 残留振動測定試験
4.3.3 切削試験
4.3.4 消費電力測定試験
4.4 まとめ
5 ロータス型ポーラス金属の航空機用エンジン部材への応用
5.1 はじめに
5.2 環境にやさしい航空機用エンジンの開発動向
5.2.1 航空機用エンジンの内部構造
5.2.2 航空機用エンジンの燃費低減の取組み
5.2.3 燃焼器の構造
5.3 エンジンの効率向上と燃焼器用遮熱タイルの役割 ―燃費低減(CO2排出量低減),と低NOx化の両立―
5.3.1 燃焼器の高圧力比化,高温化とNOx排出の関係
5.3.2 燃焼器遮熱タイルの役割とロータス型ポーラス金属の適用
5.4 燃焼器用遮熱タイルに要求される要件
5.4.1 機械的構造強度
5.4.2 支持構造,寸法
5.4.3 耐熱性・耐高温腐食特性
5.4.4 冷却特性,開口率
5.5 ニッケル基耐熱合金製ロータス型ポーラス平板の製作
5.5.1 鋳造方法
5.5.2 鋳造条件と鋳造工程の安定化
5.6 燃焼器用遮熱タイルの試作と冷却特性評価
5.7 ロータス型ポーラス金属の燃焼器用遮熱タイルへの適用のまとめ
5.8 その他の航空機用エンジン部品への,ロータス型ポーラス金属の応用可能性
5.8.1 軽量化,制振機能利用(中空ファンブレード)
5.8.2 多孔性利用(緊急時用潤滑油保持溜り)
5.8.3 多孔性利用(遮熱構造材としての適用 : ベアリングサポート)
5.8.4 制振機能利用(制振構造材としての適用 : ベアリングサポート)
5.9 まとめ

第4章 ナノポーラス金属の作製方法と物性
1 ナノポーラス金属間化合物の作製
1.1 はじめに
1.2 ナノポーラス化現象が起こる金属間化合物群とその物理的根拠
1.3 金属間化合物バルク内部のナノポーラス化
1.4 金属間化合物表面のナノポーラス化現象
1.5 ナノポアー形成メカニズムと結晶学的異方性
1.6 おわりに
2 脱合金化によるナノポーラス金属の創製
2.1 はじめに
2.2 ナノポーラス金
2.2.1 脱合金化
2.2.2 後処理による気孔性状制御
2.3 金以外のナノポーラス金属
2.4 表面処理としての合金化/脱合金化と表面積測定
2.5 結晶学的な性質
2.6 おわりに
3 ナノポーラス金属の機械的性質と電気特性
3.1 はじめに
3.2 ナノポーラス化による機械的性質の変化
3.3 ナノポーラス化による電気伝導性変化
3.4 おわりに
4 ナノポーラス金属の触媒・光学特性
4.1 はじめに
4.2 ナノポーラス金属の触媒特性
4.2.1 CO酸化触媒
4.2.2 アルコール電極酸化触媒
4.2.3 酸素還元反応触媒
4.2.4 高分子触媒
4.3 ナノポーラス金属の光学特性とラマン分光への応用
4.4 最後に
5 陽極酸化によるバルブ金属・合金表面へのナノポーラス酸化物層の創成
5.1 はじめに
5.2 チタンの陽極酸化によるポーラス酸化物層の創成
5.2.1 ポーラス酸化物層の形成過程と陽極酸化電圧・時間の影響
5.2.2 ポーラス酸化物層の形態に及ぼす電解液の影響
5.3 バルブ金属の陽極酸化によるポーラス酸化物層の形成
5.4 バルブ金属からなる合金における酸化物層の形態遷移とチューブ径分布の2極化現象
5.5 おわりに
6 金属の酸化反応を利用した酸化物ナノ中空構造体の作製
6.1 はじめに
6.2 金属ナノ粒子の酸化による酸化物ナノ中空粒子の形成
6.3 金属ナノワイヤーの酸化による酸化物ナノチューブの形成
6.4 中空構造の形成メカニズム
6.5 おわりに

第5章 標準化(日本工業規格)
1 標準化―用語
2 ポーラス金属の圧縮試験方法の標準化
2.1 はじめに
2.2 ポーラス金属の変形特性
2.3 圧縮試験方法
2.3.1 試験片の準備
2.3.2 試験の実施方法
2.3.3 特性値の定義
2.4 おわりに
3 ポーラス金属の熱伝導率試験方法の標準化
3.1 まえがき
3.2 試験片温度測定法の場合の実測例
3.2.1 試験装置と測定方法
3.2.2 有効熱伝導率算出式
3.2.3 試験片仕様
3.2.4 試験結果とロータス型ポーラス金属の有効熱伝導率予測式との比較
3.3 試験片厚さ変化法の場合の実測例
3.3.1 試験装置と測定方法
3.3.2 試験片仕様
3.3.3 測定結果
3.4 あとがき
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