Fundamental research in possibility of ceramics welding on the basis of in situ formation from mantle material to lava with high power laser

高功率激光从地幔物质到熔岩原位形成陶瓷焊接可能性的基础研究

• 批准号: 20K05122
• 负责人: 川人 洋介
• 金额: $ 2.83万
• 依托单位: Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20K05122/
• 关键词: レーザその場溶岩生成; マントル物質; セラミックス; レーザ溶接; レーザ; 溶接; 溶岩

本研究では、レーザ加熱によるマントル物質の溶融挙動の解明に基づき、高出力レーザを用いた汎用的な新セラミックス溶接法の創出に挑戦する。今年度は下記の研究課題について実施した。①セラミックスの局所溶融部を生成するその場溶岩生成手法の設計：実験的・理論的な手法によりレーザ加熱時の局所溶融現象の解明を試みた。実験的には、窒化ケイ素や酸化アルミニウムのレーザ加熱について、大型放射光SPring8の高出力・高品質X線の位相強調を用いて局所溶融現象のその場観察を行った。その結果、局所溶融現象が起こると同時に、その周辺部から破壊が発生することが観測された。一方、理論的には、我々が独自開発した数値解析粒子法をOpenMPとMPIとのハイブリッド並列高速化により、2021年度より7.6倍程度の高速化を達成し、1000万粒子程度の数値計算を行った。その結果、高出力レーザによる標準的な局所溶融現象で2000 K/ 0.1 mm程度の局所的な温度勾配が生じることが明らかになった。これらの結果から、局所溶融部の周辺では熱応力による破壊過程が発生することが推察され、これが材料と条件を限定する要因になることがわかった。故に、高出力レーザによる汎用的なセラミック溶接法の設計には、局所溶融部周辺の熱応力による破壊過程を排除または緩和する機構が必須であることが示唆された。②高出力レーザを用いた新セラミックス溶接の可能性探索：汎用的で広い分野におけるセラミックス溶接を実現するためには、マントル物質の一体化機構の解明による知見（あらゆる物質の接合の可能性を秘めている物質は酸素）および①の設計に基づき、所定の溶接位置に局所溶融部を形成する溶接法の可能性を探索した。その為の治具を作製し、研究対象をSi3N4から変更し、ガラス質SiO2をAl2O3に混ぜたセラミック（マシナブルセラミックス）を採用し、実施することにした。

在这项研究中，基于激光加热阐明地幔材料的熔化行为，我们将尝试使用高功率激光器创建一种新的，多功能的陶瓷焊接方法。今年，我们进行了以下研究主题：1）设计陶瓷局部熔融部分的原位熔岩生成方法的设计：我们试图使用实验和理论方法在激光加热过程中阐明局部熔融现象。在实验上，对局部熔融现象的原位观察使用了对氮化硅和氧化铝的激光加热，并使用高功率，高质量的大规模同步辐射弹簧的高质量X射线的相位增强。结果，观察到发生了局部熔融现象，并且破坏发生在外围。另一方面，从理论上讲，我们使用我们开发的数值分析粒子方法实现了OpenMP和MPI的混合并行加速，该方法的速度约为2021财年的7.6倍，并且进行了约1000万个颗粒的数值计算。结果表明，在标准的局部熔融现象中，用高功率激光器产生了约2000 K/0.1 mm的局部温度梯度。这些结果表明，由于热应力引起的断裂过程发生在局部熔化部分周围，发现这是限制材料和条件的因素。因此，已经提出，使用高功率激光器的通用陶瓷焊接方法的设计需要一种机制来消除或缓解由当地熔化区域周围的热应力引起的断裂过程。 2）使用高功率激光器探索新的陶瓷焊接的可能性：为了实现通用和广泛的陶瓷焊接，我们探索了焊接方法的可能性，在当地熔融部分以给定的焊接位置形成局部熔融部分，基于对甲的材料的潜在材料的确定材料的确定性均具有一定的材料（均具有甲状体材料）。为此目的制造夹具，将研究主题从SI3N4更改，并使用将玻璃sio2与Al2O3混合制造的陶瓷（可加工陶瓷）。