大阪大学大大学院工学研究科の尾崎典雅准教授、理化学研究所の矢橋牧名グループディレクターらを中心とする日仏英露の国際研究グループは、理化学研究所放射光科学総合研究センターの施設SACLAを用いて、秒速5kmもの超高速衝突の際に、材料が破断的に破壊していく様子を原子レベルで観察することに世界で初めて成功した。

 超高速で飛翔する物体が材料に衝突した際、衝突面とは反対側の面に、より甚大な損傷が見られるなど、特徴的な破壊現象が起こる。このような超高速応力に起因するダイナミックな材料破壊を直接見ることは、その極短時間性から、これまで極めて困難だった。

 今回、研究グループが用いた方法は、物質へのパワーレーザーの集光照射により超高圧を生成する「パワーレーザーショック超高圧法」、および加速器でのX線発生装置であるX線自由電子レーザー(XFEL)施設SACLAによる「X線回折イメージング」。これらにより、超高速破壊現象をフェムト秒(10の15乗分の1秒)の時間分解能で、原子レベルの直接観察に成功した。材料の結晶構造中にサブミクロンレベルの亀裂が急激に集中して発生することで、高速衝突に特有の破断破壊に至ることを明らかにした。

 今回の手法により、超高速応力印加時における材料破壊挙動の超高速原子レベル観察とともに、破壊応力(材料破壊に要する単位面積あたりの力)などの機械力学的特性の定量的評価が可能になった。これにより、宇宙ステーションや航空機など極限環境下で使用される材料のための安全性向上や先進高耐力材料開発などが促進されると期待される。

論文情報:【Science Advances】Dynamic fracture of tantalum under extreme tensile stress

大阪大学

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