加藤 秀実

本事業では、近年東北大で開発されたモリブデン基超高温材料モシブチック（MoSiBTiC）合金（耐熱温度1400℃）の設計思想やノウハウを活かしながら、新規な超高温材料を開発することを目的とする。モシブチック合金の課題であった耐酸化性を改善するために、材料組成の根本的な見直しを行い、モシブチック合金の超高温下における優れた機械的性質を維持しながら、耐酸化性に優れた、全く新しい超高温金属マトリックス複合材料（超高温ＭＭＣ）の先導研究を行う。

粘弾性流動加工の基礎評価 インプリント加工条件の最適化

情報通信機器・家電機器用に留まるLiイオン電池の高性能化が求められている。Liイオン電池の出力密度・エネルギー密度は電極材料に大きく依存し、そのうち負極としてグラファイト系材料が、現在使用されているが、そのエネルギー密度は、理論限界値にまで到達している。このブレークスルーとして、現行の5倍以上の理論放電容量を持つSi系負極材料が注目される。この実用化の大きな障害となっている低サイクル寿命の改善が望まれ、Li吸放出時の体積変化の影響を小さくするSiの“ナノサイズ化”技術が障害克服の鍵となる。本研究事業は、申請者らが独自に考案した新脱成分法によって、ナノオープンポーラスSi材料を負極に提供し、そのポーラス構造の最適化を通して、車載可能な高出力・高容量・高サイクル寿命を有するLiイオン電池を開発することを目的とする。

我が国は超高齢社会を迎え、老化に伴う諸器官機能低下や損失による生活障害が今後ますます深刻化し、これらの機能再建は極めて重要な課題となっている。この分野の進展には、医・工間の連携推進が重要であり、医学・生物学を横断する学際的プロジェクトの構築がその解決には必要不可欠である。この中で、歯科インプラント、人工関節、人工骨、脊柱固定・スペーサといった骨の組織と機能を再生・再建する生体材料の開発が強く要求され、その最有力素材として、比強度が高く、耐食性に富み、生体毒性の無いチタンが注目されている。生体材料チタンには、生体骨・歯根材料と同程度への低ヤング率化や、表面の化学的および形態的生体適合化を目的とした合金設計・開発が行われてきた。この中で、チタン－ニッケル合金（ニチノールなど）およびチタン－銅合金（主に歯科用）は優れた機械的特性を有するために生体材料としての利用が検討されているが、含有ニッケルや銅は、生体に対する毒性が懸念される元素であるため、これらを生体内で利用するためには、ニッケルおよび銅の溶出量を低減する工夫・改善が必須である。本申請研究では、独自に考案したポーラス金属作製方法を応用し、これらのチタン合金の表面層において毒性元素であるニッケルもしくは銅のみを選択的に取り除き、かつ、微小空孔を無数に導入することによって、表面層の無毒化、かつ、ポーラス形態化の同時達成を試みる。さらに、チタン－ニッケル合金およびチタン－銅合金の表面に形成したポーラス純チタン層に、ガスプロセスやwetプロセスを利用して骨形成能の向上を目的とした表面改質を施す。作製したチタン合金を擬似生体液浸漬試験、細胞培養試験および動物埋め込み試験によって生体特性を評価し、その結果をポーラス形状、表面改質にフィードバックして最適化することによって、機械的性質および生体特性の両面において優れた性質を発揮するチタン合金を開発し、その作製プロセスを確立する。

本申請事業では、引張・曲げ変形下においても複合効果の得られる高アスペクト比充填材料を用いたBMGMCを開発し、さらにその作製技術を確立することを目的とした。本研究では、BMGの最大の特徴である高強度・低弾性率を最大限に生かすために、Mg-Cu-YやMg-Cu-GdなどのMg基BMGを母相として、 (a)高アスペクト比ポリイミド系超耐熱高分子BMGMC (b)高アスペクト比Tiまたはグラファイト成形体充填BMGMC の開発を行う。

代表的BMGであるZr基合金において、鋳造雰囲気ガス圧力を積極的に制御することによって、凝固形成相をガラスまたはナノ準結晶構造材料に容易に制御できることを発見し、BMGを用いた材料開発に大きな展開を与えた (H. Kato et al., Appl. Phys. Lett., 85(2004)2205および Scripta Mater., 51(2004)1063)。このようなナノ組織制御は、過冷却液体において降温に伴って体積収縮と粘性流動による形状回復の競合が起こることで、その低温度域で凝固体と鋳型表面間にキャビティが安定成長を開始するため、キャビティ内のガス状態による冷却速度の差異が生じることで達成できていると考察している。熱伝導物理、計算シミュレーションおよび局所構造解析等の種々の観点から学際的に検討し、メカニズムの解明を行うことを目的としている。

本派遣事業は東北大学工学部、又は大学院工学研究科教育改革の一環として実施するものであり，得られた成果は帰国後，同大学工学部・工学研究科内の教育推進室や全学の高等教育開発推進センターにおいて，新たな教育改革の提言としてまとめ，本学の教育改革事業に資することを目的にする。具体的な改革の取り組みとして本派遣事業が扱う内容は、本学学部教育における・国際研究のカリキュラムの導入化・学際研究のカリキュラムの導入化の可能性・有効性を評価するために、先進教育・研究大学に赴きその実態を調査することである。