Creation of Meta-materials Mimicking Atoms - Challenge to 4D Printing of Shape Memory Cellular Lattice Porous Materials:

模仿原子的超常材料的创建——形状记忆细胞晶格多孔材料 4D 打印的挑战：

• 批准号: 22K18889
• 负责人: 小泉 雄一郎
• 金额: $ 4.16万
• 依托单位: Osaka University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-06-30 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K18889/
• 关键词: 4Dプリント; 第一原理計算; 付加製造; メタマテリアル; Additive Manufacturing; 相転移; 弾性異方性; セル格子構造

構造と特性の関係の理解とそれに基づく構造の制御は、新材料創成の基礎である一方で、３Ｄプリンタにてサブミリレベルの構造を自在制御が可能となったことに着目し、３Ｄプリンタと物質科学で得られてきた原子レベルの構造と特性の関係の知見を融合した格子構造設計により、新規力学的メタマテリアル創成を目指して研究を実施した。特に結晶性材料の特性は原子配列と電子状態により決定されることから、電子構造と弾性異方性の関係と、格子構造と弾性特性の関係を比較することで電子構造からメタマテリアル設計指針を得ることから着手した。具体的には、3D-CADにより面心立方（FCC）型格子ならびに体心立方（BCC）型格子のBall&Stick型構造体を設計した。その構造体を粉末床溶融結合型樹脂用付加製造装置と熱可塑性ポリウレタン粉末を用いて造形した。造形体の圧縮試験とせん断試験により、縦弾性率E、横弾性率G、ポアソン比νを評価し、弾性異方性の指標としてZener ratio AZ = 2G(1+ν)/Eを求めた。一方、Materials Projectの第一原理計算データから0 Kでの金属元素の弾性異方性を評価し、電子密度分布及びフェルミ面の形状と比較し、電子構造と弾性異方性の関係を検討した。 FCC型格子構造体のAZ は1近傍で比較的低く、等方的なのに対し、BCC型格子構造体は大きなAZ を示し異方性は高かった。一方、金属のAZは元素により大きく異なるが、FCC金属で高く、BCC金属で低い傾向があり、格子構造体とは逆の傾向を示した。さらに、FCC金属のフェルミ面が＜111＞方向に突き出しあるいは接続しているものが多く、BCC金属のフェルミ面が<110>方向に連結しているものが多い。これが格子構造体と金属結晶で、弾性異方性の傾向が逆転していることと関係している可能性があることを見出した。

Tectonic と features の masato is の understand と そ れ に base づ く tectonic の suppression は, new material and basis of の で あ で る party, 3 d プ リ ン タ に て サ ブ ミ リ レ ベ ル の tectonic を comfortable suppression が may と な っ た こ と に mesh し, 3 d プ リ ン タ と で material science have ら れ て き た atomic レ ベ ル の tectonic と features の masato is の knowledge fusion を し た lattice structure The design of によ によ, the research on new mechanics of メタ メタ テリア テリア を, the research on を, the research on <s:1>, the research on を, the research on た, and the research on た. Special に crystalline materials の features は atoms with column と electronic state に よ り decided さ れ る こ と か ら, electronic structure と 弾 sexual different party の masato と, lattice structure と 弾 sexual characteristics の masato is を compare す る こ と で electronic structure か ら メ タ マ テ リ ア ル design the pointer を る こ と か ら to し た. Specific に によ, 3D-CADによ によ, face-centered cubic (FCC) type lattice ならびに body-centered cubic (BCC) type lattice <s:1> Ball&Stick type structure を design によ た. Youdaoplaceholder0 そ structure を powder bed melt-fusion type resin additive manufacturing device と thermoplastic ポリウレタ <s:1> powder を <s:1> shape <s:1> た. Made form の 圧 shrinkage test と せ ん fault test に よ り, 縦 弾 rate E, horizontal 弾 rate G and ポ ア ソ ン than argument を review 価 し, 弾 different party の index と し て Zener thewire AZ + argument (1) = 2 G/E を o め た. Side, Materials, Project の first principles calculation デ ー タ か ら 0 K で の metal elements の 弾 sexual different party を review 価 し, electron density distribution and び フ ェ ル ミ の shapes と し and electronic structure と 弾 sexual different party の masato is を beg し 検 た. The FCC-type lattice structure <s:1> AZ <s:1> 1 shows a low く near で comparison, an isocratic な <s:1> に is opposite to a <s:1>, and the bCC-type lattice structure has a <s:1> large な なAZ を, indicating a high <s:1> anisotropic った った. Party, metal の AZ は element に よ り big き く different な る が, the FCC metal で high く, BCC metal で low い tendency が あ り, lattice structure body と は inverse の tendency を shown し た. さ ら に, the FCC metal の フ ェ ル ミ surface が に < 111 > direction by き out し あ る い は meet 続 し て い る も の が く, BCC metal の フ ェ ル ミ surface が < 110 > direction に link し て い る も の が い more. こ れ が と metal crystal lattice structure body で, 弾 different party の tendency が inverse planning し て い る こ と と masato is し て い る possibility が あ る こ と を shows し た.

项目成果

Design of Cellular Lattices by Atom-Mimetics-;How to reproduce Elastic Anisotropy of Metals

通过原子模拟设计细胞晶格 - 如何再现金属的弹性各向异性

• 发表时间: 2022
• 作者: Yuichiro Koizumi;Masaki Hosoda (M1);Sosuke Kanegae (D2);Masayuki Okugawa;Hayato Nagayama
• 通讯作者: Hayato Nagayama

原子のふるまいに学ぶ4Dメタマテリアルの創成

创建可学习原子行为的 4D 超材料

• 发表时间: 2022
• 期刊: Proceedings of Conference on 4D and Functional Fabrication
• 作者: 鐘ヶ江壮介，奥川将行，細田昌樹，永山隼，小泉雄一郎，尾方成信

Thermally induced Phase Transforming Cellular Material using bimeta

使用 bimeta 的热诱导相变多孔材料

• 发表时间: 2022
• 作者: Hayato Nagayama (M2);Sosuke Kanegae (D2);Masayuki Okugawa;and Yuichiro Koizumi
• 通讯作者: and Yuichiro Koizumi

代表体積要素モデルを用いた有限要素法による多軸双安定構造の大変形挙動解析

使用代表性体积元模型的有限元法分析多轴双稳态结构的大变形行为

• 发表时间: 2022
• 期刊: 計算工学講演会論文集
• 作者: 鐘ヶ江 壮介;奥川将行;小泉雄一郎
• 通讯作者: 小泉雄一郎

Thermally induced phase transforming cellular lattice driven by bimetal beams

• DOI: 10.1557/s43580-022-00334-y
• 发表时间: 2022-09-08
• 期刊: MRS ADVANCES
• 影响因子: 0.8
• 作者: Nagayama, Hayato;Kanegae, Sosuke;Koizumi, Yuichiro
• 通讯作者: Koizumi, Yuichiro