Elucidate the formation mechanism of complex eutectic microstructures

結晶材料の特性は、その微細構造に密接に関連しており、その微細構造は主に凝固過程に依存する。微細構造の制御には、結晶材料の凝固によって生じるデントライト、共晶、およびファセットという基本的な微視的パターンの形成機構の深い理解が必要である。現実的な過程を明らかにするために、信頼性の高い数値的方法も必要である。今年度の研究において、2つのフェーズフィールド法モデルを開発した。一つは、シリコン単結晶と多結晶の成長と結晶粒界の拡張のシミュレーションに用いられる。その場観察と補完的に、シミュレーションの結果は、多結晶シリコンの一方向凝固における界面張力の効果と固液界面への原子付着効果の競争的な関係について洞察を与えた。この研究成果を、日本金属学会の講演大会にて発表し、査読付きジャーナル「Materialia」に掲載された。もう一つのモデルは、合金の急速凝固のシミュレーションに用いるためのものである。急速凝固での溶質分配は平衡から遠く離れており、固液界面の振る舞いも平衡状態とは大きく異なる。本モデルによる計算結果からえられたデータを解析し、速度依存性分配係数について評価したところ解析理論とよい一致を示した。さらに、このモデルを用いることで、振動的成長を示す固液界面の再現に成功し、急速凝固合金材料で頻繁に観察される帯状構造を生成することに成功した。この成果に関する論文はフェーズフィールド法のための理論的研究で有名で最も権威ある査読付きジャーナル「Physical Review E」誌に投稿した。同誌への掲載が検討される価値のある論文として現在査読審査中である。本研究で構築したフェーズフィールドモデルは、結晶材料のパターン形成機構を解明し、先進的な材料の開発のためにその微細構造を制御するのに役立つことを期待している。

結晶材料の特性は、その微細構造に密接に関連しており、その微細構造は主に凝固過程に依存する。微細構造の制御には、結晶材料の凝固によって生じるデントライト、共晶、およびファセットという基本的な微視的パターンの形成機構の深い理解が必要である。現実的な過程を明らかにするために、信頼性の高い数値的方法も必要である。今年度の研究において、2つのフェーズフィールド法モデルを開発した。一つは、シリコン単結晶と多結晶の成長と結晶粒界の拡張のシミュレーションに用いられる。その場観察と補完的に、シミュレーションの結果は、多結晶シリコンの一方向凝固における界面張力の効果と固液界面への原子付着効果の競争的な関係について洞察を与えた。この研究成果を、日本金属学会の講演大会にて発表し、査読付きジャーナル「Materialia」に掲載された。もう一つのモデルは、合金の急速凝固のシミュレーションに用いるためのものである。急速凝固での溶質分配は平衡から遠く離れており、固液界面の振る舞いも平衡状態とは大きく異なる。本モデルによる計算結果からえられたデータを解析し、速度依存性分配係数について評価したところ解析理論とよい一致を示した。さらに、このモデルを用いることで、振動的成長を示す固液界面の再現に成功し、急速凝固合金材料で頻繁に観察される帯状構造を生成することに成功した。この成果に関する論文はフェーズフィールド法のための理論的研究で有名で最も権威ある査読付きジャーナル「Physical Review E」誌に投稿した。同誌への掲載が検討される価値のある論文として現在査読審査中である。本研究で構築したフェーズフィールドモデルは、結晶材料のパターン形成機構を解明し、先進的な材料の開発のためにその微細構造を制御するのに役立つことを期待している。