東北大学新技術説明会平成26年6月6日（金） 13:50-14:20 JST東京本部別館１階ホール本発明の実現範囲 50 nm~ 数mm (バルクリガメント・マクロ孔） *リガメント＝多孔質構造を形成する柱部分化学系ではリーチング(leaching)とも呼ばれる合金を酸・アルカリ水溶液中に浸漬し、特定成分を選択腐食すること H H + H H + H Ag + + + Ag + Ag + + Au Au Ag Ag Au Ag Ag Au Ag Au Ag Au Au Ag Au Ag Au Ag 自己組織化ナノポーラス金腐食性水溶液 Au リガメント Au-Ag 固溶体 J. Erlebacher et al., Nature 410 (2001) 450-451. simulated by Prof. J. Erlebacher et al., (Johns Hopkins Univ. 米国）白丸: Ag 原子オレンジ丸: Au 原子 Ag 溶出 ↓ 不安定化 Au 表面拡散 ↓ Au 凝集 ↓ …. ↓ ナノポーラスAuの自己組織形成 (base) 卑卑金属酸化物, TiO2, etc. 標準水素電極電位 standard electrode potential Ti H Ag Au 貴(noble) -1.630 0 (V vs. SHE) 0.799 1.520 純ナノポーラス貴金属従来法(= 水溶液中での脱成分処理) １１種の貴金属や、より標準水素電極電位の高いＮｉ（ラネーニッケル）等に限られる。. ラネー金属(R- ) R-Ni, R-Fe, R-Co R-Cuなど主に触媒：水素化、脱水素化、アルキル化、アミノ化これまでの問題点多くの非・半金属に水溶液による脱成分処理を施すと、酸化してポーラス体が得られない。新しいアイディア ! C 金属溶融体 C C B C A B A A A B C C B B B A B A B B A B B A A B A-B合金・化合物考えられる３つの利点 (1) 標準電極電位に依存しない（卑金属や半金属にも適用可能） (2) 水素・酸素フリー工程（酸化などの心配なし） (3) 高温での高速反応を利用できる (>>100 ℃）どうやって金属溶融体中で特定成分の選択溶出を実現するのか？原子間混合熱 mixing enthalpy H{mix A B}   A B  x A  x B x A xB A 分離混和 B C 溶融体混和原子間混合熱 H {mix A B}  A B 合金 H mix  0 H mix  0 T< Tm, AB 相互作用パラメーター原子間化学相互作用原子比濃度 AB 0  H mix 混和 AB 0  H mix 分離 B C 0  H mix AC 0  H mix B A B C  H mix   H mix このような関係が成立するA, B, Cの元素を周期律表から選択することによって、金属溶融体中において脱成分ができるのではないか？２元素混合熱表竹内ら Mater. Trans. 46(2005)2817-2829 H mix  0 混和型 Cu-Ti Cu H mix  0 Ti Cu-Mg Cu Mg 分離型 H mix  0 H mix  0 Mg-Ti Ti 混和分離 Cu Mg 混和 Mg Ti 脱成分処理カーボン坩堝単ロール型液体急冷法リボン試料 Cu70Ti30, Cu50Ti50, Cu30Ti70 Cu70(Ti0.847Zr0.055Cr0.098)30 etc. 幅:~10 mm 回転厚さ: ~40 mm ~2 krpm リボン試料の外観 Mg溶融体 (15g) 誘導加熱コイル 973 ~1223 K (TmMg= 923 K) Ti-Cu 前駆合金+ Mg浴 → Ti/(Mg+Mg2Cu) ナノ複合材料後方散乱電子 SEM 像 X線回折図形重い原子→ 明るいコントラスト灰色: 六方晶-Ti 白: Mg2Cu 黒色: 六方晶-Mg 耐食性 Ti >> Mg, Mg2Cu 化学処理分析 Ti/(Mg+Mg2Cu) ナノコンポジットからのMg & Mg2Cuの除去 SEM-EDX (Hitachi S-4800) 微小領域 XRD (Bruker D8) 0.1 mol/l HNO3 30 分室温 TEM (JEOL-2010) FIB-SEM (FEI Helios NanoLab) 曲げ破壊面曲げ破壊面 EDX Bicontinuous Isolated 共連続構造孤立 EDX分析においてMgが検出されない Ti/Mg ナノコンポジットは共連続構造を有するオープンポーラス純チタンの形成除去可能粉末化/除去不可能内部の如何なる空間も必ず外界に繋がっている（比表面積上、とてつもない効果！）空孔: ~47 vol.% 化学的知識冶金的知識 Ni-Cr合金単体 Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Fe, Si … 合金 β-Ti合金（= Ti-Cr-Zr), Fe-Cr, NiCr … Fe-Cr合金曲げ破壊面 β-Ti合金 300 μm 粒子直径, l/nm 1000 500 9 200 100 比表面積,Sm-1 / m2g-1 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 100 200 300 400 重量比静電容量, CVm-1 / mFVg-1 ×103 500 𝑆 𝐶 = 𝜀0 𝜀 × 𝑑 混和分離混和 2 μm 2 μm 2 μm 2 μm 2 μm 2 μm 70 mm 厚の前駆合金の内部まで脱成分が完了する最短時間参照極対極作用極リガメントサイズ m 硫酸水溶液単純な原理、単純な装置で従来法で作製ができなかった安価な卑・半金属のポーラス化を可能にしたが、コスト削減のためには下記の取り組みが必要 • 使用済み金属溶湯から溶出成分を除去し、再び、金属溶湯として使用する製錬 • 使用済み金属溶湯の他用途材料への応用 • 多孔質金属部材メーカーとの共同研究を希望 • 多孔質金属部材を用いて新規デバイスを開発する企業との共同研究を希望 • 各種金属元素の製錬に詳しい企業の参画による工程設計の希望発明の名称：Niを含む合金表面よりNiを除去する表面改質方法とその部材出願番号： PCT/JP2010/68761 出願人：東北大学発明者：加藤秀実和田武湯葢邦夫井上明久東北大学産学連携推進本部事業推進部東北大学金属材料研究所産学連携コーディネーター岩淵、齋藤准教授加藤秀実 TEL: 022-217-6043 FAX: 022-217-6047 TEL: 022-215-2110 FAX:022-215-2111 E-mail: [email protected] E-mail: [email protected] お気軽に