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次世代材料技術室

研究開発事業


次世代構造部材創製・加工技術開発


■研究開発の体制
次世代材料技術室(RIMCOF室)航空機材料技術部では、経済産業省の「エネルギー使用合理化技術開発等」の一環として「次世代構造部材創製・加工技術開発」を、平成20年度から平成24年度までの5カ年計画で推進しております。 研究開発体制は以下の通りです。




■研究開発の必要性
今後、複合材構造の増加に伴い使用拡大が見込まれる航空機構造用チタン合金について、 加工性の良い合金材料の開発とともに、低コストで効率の良い構造部材加工プロセスの開発に取り組んでいます。 また、複合材構造を多用した航空機の安全な運航に資するため、複合材構造健全性診断技術の開発を行っています。


研究開発の内容・目標
1.次世代チタン合金構造部材創製・加工技術開発
 @チタン板金部品の低コスト製造技術の開発、A高加工性新チタン合金の押出/鍛造材を用いた低コスト製造技術の開発、B高機能化チタン合金焼結部品の低コスト製造技術の開発のテーマの研究開発を実施しています。また、重要共通技術として、 参加各大学が材質評価、摩擦撹拌接合による接合技術の開発、先端粉末造形技術の開発に取り組み、基礎技術を高めています。










2.複合材構造健全性診断技術開発
 平成15年度から19年度にかけ、先行して開発した光ファイバセンサ等による複合材構造健全性診断の基礎技術を基に、下記概要に示す4テーマの技術開発を進めています。 各テーマについて、@センサの耐環境性の確認、A小型高信頼計測システムの開発、B高信頼診断技術の開発を行います。 実飛行環境でも使用可能なシステム信頼性と実用レベルの構造健全性診断技術を実現し、今後増加すると予想される複合材料を多用した航空機構造の点検効率の大幅な改善を目指します。 なお、一部のテーマについては、エアバス社と協同研究を実施しています。
 構造健全性診断技術は航空分野のみならず、建築物、船舶、プラント、風力発電装置などの広い分野の構造物の安全の確保を目指し開発が進められています。特に航空分野では、その実用化を睨んで、世界的な技術標準化の動きが活発化しており、当RIMCOF室航空機材料技術部でも技術標準化活動への積極的な参画を通じ、 開発中の技術が世界規模で活用されるものとなるよう準備を進めています。






研究開発の効果
 次世代チタン合金構造部材創製・加工技術開発では、航空機構造に最適化した低コスト材料・プロセス技術を構築し、 将来航空機開発に適用することを目指します。また、複合材構造健全性診断技術開発では、航空機の効率的な点検、 運用を可能とする事で、航空機の安全確保、運航の安定化に貢献すると期待されます。




高機能複合化金属ガラスを用いた革新的部材技術開発


次世代材料技術室(RIMCOF室)金属材料技術部では、経済産業省の「ナノテク・部材イノベーションプログラム」の一環として、(独)新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)より平成19年度から平成23年度までの5カ年計画で、「高機能複合化金属ガラスを用いた革新的部材技術開発」プロジェクトを受託し、井上明久 東北大学ユニバーシティプロフェッサーをプロジェクトリーダーとして平成19年6月から研究開発を開始していましたが、残りの5年目の事業は経済産業省直執行で継続されることになりました(平成22年度産業技術研究開発(高機能複合化金属ガラスを用いた革新的部材技術開発)委託事業、研究期間は22年12月28日〜24年3月30日)。また、平成23年3月11日に発生した東日本大震災により、主な関連設備(NEDO資産等)が損壊したため、それらの点検、修理のためにNEDOからの委託は6月末まで委託期間の変更となりました。本プロジェクトは、18年度に終了した「金属ガラスの成形加工技術」プロジェクトの成果を踏まえ、金属ガラス相と第二相を複合化させて高度な機能を実現させることを目指しています。 研究開発体制は以下の通りです。





■研究開発の目標
本プロジェクトでは、金属ガラス相と第二相を複合化させることで新たに複合化金属ガラス合金を創製し、 従来の金属ガラス単相合金の持つ優れた特徴に加えて、硬磁気特性、塑性加工性、高電気伝導性等の特性を付与し、この複合化金属ガラスの持つ新規な特性を利用して、 従来の金属ガラス単相合金が適用できなかった次世代高密度磁気記録媒体、超微小モータ用部材、高強度・高導電性電気接点部材等の次世代部材の開発を行い、 多様な工業製品に応用することで我が国産業の優位性を確保することを目的としています。


■研究開発の概要
本プロジェクトでは、共通基盤技術開発および実用化技術開発をほぼ並行して実施します。
 
1. 共通基盤技術

@複合化金属ガラスによる硬磁性・ナノ構造部材技術
 1平方インチ当り1テラビットを超える次世代の高密度磁気記録媒体技術として、ビットパターンドメディアが有力視されています。 現在検討されているビットパターンドメディアの作製法には、スパッタ膜のエッチングやイオン注入、ナノホール形成および直接ナノインプリント等の方法がありますが、幾何学的パターン精度と製造コストの面で直接ナノインプリントが最も優れた方法であり、実用性も高いと考えられています。
 本プロジェクトでは、優れた粘性流動加工性によりナノスケールの転写加工が可能な金属ガラスを用い、インプリントによりナノパターンを直接成形するとともに、金属ガラスの複合化により高密度磁気記録に適した磁気特性を付与させることで高精度のビットパターンドメディアを実現し、1平方インチ当り1テラビットを超える高密度磁気記録媒体を高精度かつ低コストで作製する基盤技術を開発します。なお、本研究開発成果の一部は、23年度補助事業(実用化技術開発)に移行しました。


A複合化金属ガラスによる高強度・超々精密部材技術
 現在、金属ガラスの特徴を活かして超精密ギヤ等の開発が進められており、これまでに直径1.5mmの世界最小ギヤードモータが試作され、その製品適用が進められています。一方、高度化の著しいマイクロ機器の分野では、さらに微小なモータの開発ならびに実用化への期待が大きく出されています。このような超微小モータの開発には、従来では困難なレベルの非常に厳しい寸法精度の超々精密ギヤ等が必要です。現在の超精密ギヤ等は、単相の金属ガラスを用い、高温の溶融状態から直接鋳型に注入する射出成形法で作製されているため、熱収縮の影響が大きく出るので、超々精密ギヤ等の微小な寸法や高い寸法精度を達成することが困難です。
 本プロジェクトでは、高温に加熱することなく、比較的低温度で微小な寸法を高い精度で実現するために、金属ガラスに塑性変形能を付与した複合化金属ガラスを創製し、これを用いて超精密プレス等により超々精密部材が作製できるような基盤技術を開発します。なお、本研究開発項目は、22年度中に最終目標を達成しましたので、23年度は補助事業(実用化技術開発)に移行しました。


B複合化金属ガラスによる高強度・高導電性部材技術
 携帯電話等の小型エレクトロニクス機器に用いられているコネクタの電気接点部材には、主として銅-ベリリウム合金が使われています。銅-ベリリウム合金は、強度と導電性に優れた材料ですが、次世代の超小型コネクタ用としては強度及び導電性がともに不十分とされています。金属ガラスは、銅-ベリリウム合金を大きく上回る強度を持つとともに低ヤング率であることから弾性に富んでおり、コネクタ用接点部材として適用すれば現状製品を凌駕する小型化・高性能化が可能と考えられます。しかし、金属ガラスは電気抵抗が通常の結晶性銅合金より大きいため、そのままでは電気接点部材としては適しません。
 本プロジェクトでは、金属ガラスの高強度特性を保持しつつ電気伝導性を高めることにより、優れた強度と電気伝導性を併せ持つ複合化金属ガラスを創製し、さらにこれを用いて精密圧延により極薄で板厚精度に優れた広幅の精密薄板を作製して、次世代の超小型コネクタ用電気接点部材を成形するための基盤技術を開発します。


 
2.実用化技術

C次世代高密度磁気記録媒体の開発
 共通基盤技術研究において開発された成果をもとに、記録密度が1平方インチ当り2テラビットの超高密度磁気記録媒体を開発します。


D超微小モータ用部材の開発
 共通基盤技術研究において開発された成果をもとに、現状の世界最小ギヤードモータ用ギヤと比べて1/2の大きさの超々精密ギヤを使用し、モータ全体の体積が1/3以下の超微小モータを開発します。


E高強度・高導電性電気接点部材の開発
 共通基盤技術研究において開発された成果をもとに、コネクタのピッチもしくは高さが現状の1/2となる微細カードコネクタを開発します。



次世代航空機用構造部材創製・加工技術開発


RIMCOF室航空機材料技術部(旧RIMCOF複合材料技術部)では、経済産業省の「民間航空機基盤技術プログラム」の一環として 「次世代航空機用構造部材創製・加工技術開発」を、平成15年度から平成19年度までの5年間実施し、大きな成果を上げて平成20年3月に終了しました。


■研究開発の体制

研究開発は下記の体制で進めました。




■研究開発の概要
★低コストで軽量な航空機構造を実現する材料・プロセス技術の開発を狙いに、 以下の3つのテーマで先進複合材料および先進金属材料を用いた革新的な構造部材の開発を行いました。


@複合材料の非加熱成形技術
複合材料の成形は現在、オートクレーブを用いてマトリックス樹脂を熱硬化させることによって行われていますが、サイズの制限、熱応力、消費エネルギー等の課題があります。 これらの課題を解決するために、マトリックス樹脂を電子線、紫外線、可視光線等を照射することによって硬化させる技術開発を行いました。 なお、可視光硬化成形技術は航空機機体構造修理実用化をねらって更に検討が行われています。





A複合材構造健全性診断技術
複合材構造は亀裂等の欠陥が発見しにくく、亀裂の進展予測も困難で構造信頼性を低下させる大きな要因となっております。 複合材構造の信頼性向上を狙い、光ファイバー等を埋め込むことにより欠陥を検知する複合材構造健全性診断基礎技術を開発しました。 また、本技術はエアバス社にも注目され、平成18年以降、当RIMCOF室航空機材料技術部との間で協同研究開発を実施しています。





B次世代マグネシウム合金創製・加工技術
マグネシウム合金は比重が1.8でアルミニウム合金に比べ2/3と小さいために軽量構造材料として大きな可能性を持っていますが、航空機構造材料としては強度、耐食性、加工性等に劣るという課題があります。 これらの課題を克服する次世代マグネシウム合金の材料開発並びに鋳造法及び粉末法による製造技術を開発しました。
なお、鋳造法はエンジン部品適用をねらって更に検討が行われています。




 



金属ガラスの成形加工技術


RIMCOF室金属材料技術部(旧RIMCOF金属材料技術部)では、経済産業省の「革新的部材産業創出プログラム」の一環として、(独)新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)より平成14年度から平成18年度までの5カ年にわたり 「金属ガラスの成形加工技術」プロジェクトを受託して鋭意実施してきましたが、期待以上の成果をもって平成19年3月に終了しました。


■研究開発の体制
本プロジェクトは、下記の体制で実施しました。




■研究開発の内容
高機能・高精度、さらに省エネ加工型の金属材料として金属ガラスに焦点を当て、 金属ガラスが有する、高強度、優れた耐食性、表面超平滑性、低ヤング率、優れた磁気特性などの特性を生かし、超精密部材、 輸送機器構造部材および高精度計測機器機能部材など具体的な6つの部材を出口として、「材料創製技術」と「成形加工技術」を一体的かつ系統的な研究開発を行いました。


■研究開発の成果
平成16年度に実施された中間評価の時点で既に多くの最終目標をクリアし、予想を上回る達成度で進捗させることができました。また、中間評価の結果を反映して基本計画を見直し、一部の最終目標の上方修正を行いましたが、終了時点で全ての目標を達成することができました。以下に特筆すべき成果を示します。なお平成19年10月にNEDOの評価委員会分科会で事後評価の審査が行われ、評価が取りまとめられました。
   
・世界最小となる直径1.5mmのマイクロギヤードモータの試作に成功しました。

・直径2.4mmのマイクロギヤードモータの寿命300倍以上(対従来品(鉄鋼製)比)を達成すると同時に、準量産レベルでの試作・評価を実施しました。

・Zr基金属ガラスでW200mm、L600mm、t1mm、Ti基金属ガラスでW100mm、L200mmm、t1mmの大型板材を作製できる鋳造プロセスを確立しました。

・レーザ溶接で目標値を上回る接合強度(母材強度比73%)を達成し、航空機模擬部材の組立接合に成功しました。

・Ti基金属ガラスで外径2.0mm、肉厚0.075mmの極薄肉パイプの作製に成功し、これを用いた試作コリオリ流量計で目標値を大きく上回る53倍(対ステンレス製従来品比)の感度を得ました。

・世界最小となる直径2.5mmの超小型圧力センサダイアフラムの成形に成功しました。

・金属ガラスの特長を生かした高感度の低圧力用センサの開発に成功し、ステンレス製従来品比で7倍の感度を得ました。

・Co基金属ガラスで零磁歪軟磁性合金の開発に成功し、これを磁気センサとして使用した超高感度ひずみ計がナノレベルの極微小なひずみ検出が可能であることを実証しました。

・電磁振動プロセスがFe基金属ガラス等の高融点合金にも有効なことを明らかにし、さらに連続製造技術を開発しました。

・本プロジェクトの実施で得られた試験データを中心にデータベースを完成させ、インターネットを通じて公開しました。



■内閣総理大臣賞の受賞
本プロジェクトの成果が、平成18年6月の第4回産学官連携功労者表彰において内閣総理大臣賞を受賞しました。


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