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論文

Abnormal grain growth; A Spontaneous activation of competing grain rotation

Liss, K.-D.*; 徐平光; 城鮎美*; Zhang, S. Y.*; 行武栄太郎*; 菖蒲敬久; 秋田貢一*

Advanced Engineering Materials, 9 Pages, 2023/00

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adem.202300470

In polycrystals, grains with certain orientations grow at high temperatures at the expense of grains with other unfavorable orientations. Grain growth involves a variety of situations and mechanisms that make experimental study, modeling, and understanding extremely complex. Normal grain growth occurs in a self-similar manner, with curved grain boundaries serving as the driving force and a parabolic growth law that scales up the grain size by the square root of time. More complex growth forms include boundary pinning of precipitates and other boundaries, topological transitions that alter driving forces, grain coalescence and anomalous grain growth, but these are considered "erratic" and their initiation is an open question in modern research, without a simple experimental approach on how they should be studied. Here, we show that grain rotation upon coalescence is spontaneously activated between one grain and a favorable neighbor, through the necessary diffusive mass transport at further boundaries of the same grain leading to their activation and a competitive "erratic" reorientation in a zigzag way, while other grains in the matrix remain stable. After two grains have eventually coalesced, their surrounding boundaries are still activated leading to further rotation and growth, filling the missing puzzle stone in thermodynamic theory between normal and abnormal growth, the latter stating that abnormal growth only takes place when the size of the growing grain is already large. Prerequisites and postulates of abnormal grain growth are based on advantageous texture, grain boundary mobility, enhanced diffusion kinetics and coalescence, which can be well explained by our observations. Moreover, our observations have been enabled through a novel experimental approach using the white-beam X-ray Laue diffraction method in bulk transmission mode on a polycrystalline.

論文

Heat-induced structural changes in magnesium alloys AZ91 and AZ31 investigated by in situ synchrotron high-energy X-ray diffraction

Liu, X. J.*; 徐平光; 城鮎美*; Zhang, S. Y.*; 菖蒲敬久; 行武栄太郎*; 秋田貢一*; Zolotoyabko, E.*; Liss, K.-D.*

Journal of Materials Science, 57(46), p.21446 - 21459, 2022/12

https://doi.org/10.1007/s10853-022-07917-y

被引用回数：3 パーセンタイル：41.53(Materials Science, Multidisciplinary)

In situ time/temperature-resolved synchrotron high-energy X-ray diffraction is applied to study heat-mediated structural changes and phase transformations in rolled sheets of AZ91 and AZ31 magnesium alloys. Azimuthal diffraction intensities along the Debye-Scherrer rings (AT-plots) are used to obtain information on grain recovery and recrystallization temperatures as well as temperature-assisted grain rotations. The azimuthally integrated diffraction intensities, plotted as functions of the scattering vector (QT-plots), provide vital data on the temperature-dependent lattice parameters of the Mg/Al matrix and intermetallic precipitates, as well as on the evolution of the precipitates' volume fraction. It was found that in AZ31, the main precipitates are of the AlMn type, which is rather stable in the investigated temperature range (up to 773 K). In contrast, in AZ91, the major intermetallic precipitates, Al $_{12}$ Mg $_{17}$ , undergo complete dissolution above 600 K. It is caused by the enhanced diffusion of Al into the Mg/Al matrix, which according to the Al-Mg phase diagram, can adopt more Al at elevated temperatures. This diffusion is revealed by the proportional diminishing of the matrix lattice parameter (chemical strain), allowing us to quantify the Al content in the matrix. Fast temperature-dependent manipulation with intermetallic content in the Mg/Al alloy can, in principle, be used for controlling its mechanical properties.

論文

Relevance of hydrogen bonded associates to the transport properties and nanoscale dynamics of liquid and supercooled 2-propanol

Zhai, Y.*; Luo, P.*; 長尾道弘*; 中島健次; 菊地龍弥*; 川北至信; Kienzle, P. A.*; Z, Y.*; Faraone, A.*

Physical Chemistry Chemical Physics, 23(12), p.7220 - 7232, 2021/03

https://doi.org/10.1039/d0cp05481j

被引用回数：3 パーセンタイル：27(Chemistry, Physical)

2-Propanol was investigated, in both the liquid and supercooled states, as a model system to study how hydrogen bonds affect the structural relaxation and the dynamics of mesoscale structures, of approximately several Angstroms, employing static and quasi-elastic neutron scattering and molecular dynamics simulation. Dynamic neutron scattering measurements were performed over an exchanged wave-vector range encompassing the pre-peak, indicative of the presence of H-bonding associates, and the main peak. The dynamics observed at the pre-peak is associated with the formation and disaggregation of the H-bonded associates and is measured to be at least one order of magnitude slower than the dynamics at the main peak, which is identified as the structural relaxation. The measurements indicate that the macroscopic shear viscosity has a similar temperature dependence as the dynamics of the H-bonded associates, which highlights the important role played by these structures, together with the structural relaxation, in defining the macroscopic rheological properties of the system. Importantly, the characteristic relaxation time at the pre-peak follows an Arrhenius temperature dependence whereas at the main peak it exhibits a non-Arrhenius behavior on approaching the supercooled state. The origin of this differing behavior is attributed to an increased structuring of the hydrophobic domains of 2-propanol accommodating a more and more encompassing H-bond network, and a consequent set in of dynamic cooperativity.

論文

Production of $^{266}$ Bh in the $^{248}$ Cm( $^{23}$ Na,5) $^{266}$ Bh reaction and its decay properties

羽場宏光*; Fan, F.*; 加治大哉*; 笠松良崇*; 菊永英寿*; 小森有希子*; 近藤成美*; 工藤久昭*; 森本幸司*; 森田浩介*; et al.

Physical Review C, 102(2), p.024625_1 - 024625_12, 2020/08

https://doi.org/10.1103/PhysRevC.102.024625

被引用回数：6 パーセンタイル：59.56(Physics, Nuclear)

The nuclide $^{266}$ Bh was produced in the $^{248}$ Cm( $^{23}$ Na,5n) $^{266}$ Bh reaction at beam energies of 125.9, 130.6, and 135.3 MeV. Decay properties of $^{266}$ Bh were investigated with a rotating wheel apparatus for and spontaneous fission (SF) spectrometry under low background conditions attained by a gas-jet transport system coupled to the RIKEN gas-filled recoil ion separator. The half-life of $^{266}$ Bh was measured to be $T_{rm 1/2}$ = 10.0 $^{+2.6}_{-1.7}$ s. The -particle energies of $^{266}$ Bh disperse widely in the range of 8.62 - 9.40 MeV. The maximum production cross section for the $^{248}$ Cm( $^{23}$ Na,5n) $^{266}$ Bh reaction was determined to be = 57 14 pb at 130.6 MeV.

論文

Colossal barocaloric effects in plastic crystals

Li, B.*; 川北至信; 河村聖子; 菅原武*; Wang, H.*; Wang, J.*; Chen, Y.*; 河口沙織*; 河口彰吾*; 尾原幸治*; et al.

Nature, 567(7749), p.506 - 510, 2019/03

https://doi.org/10.1038/s41586-019-1042-5

被引用回数：182 パーセンタイル：99.31(Multidisciplinary Sciences)

冷却は現代社会では、世界における25-30%の電力が空調や食料保存に用いられるように、重要である。従来の気化、圧縮で冷却を行う方法は、温暖化などの観点から限界が来ている。有望な代替手段として固体の熱量効果を用いた冷却方法が注目を集めている。しかしながら、この方法は、現在候補に挙げられている物質ではエントロピー変化の小ささや巨大な磁場を必要とするところなどから性能に限界がある。そこで我々は柔粘性結晶における圧力誘起の相転移で冷却が起こる巨大圧力熱量効果を報告する。柔粘性結晶の一つであるネオペンチルグリコールのエントロピー変化は室温近傍において単位キログラム、単位温度あたり、約389ジュールであった。圧力下の中性子散乱実験の結果から、そのような巨大圧力熱量効果は分子配向の非秩序化、巨大な圧縮率、極めて非線形性の強い格子ダイナミクスの組み合わせに由来することが明らかになった。我々の研究により、柔粘性結晶における巨大圧力熱量効果発現の微視的機構が明らかとなり、次世代の固体を使った冷却技術の確立に筋道を付けることができた。

論文

Liquid-like thermal conduction in intercalated layered crystalline solids

Li, B.; Wang, H.*; 川北至信; Zhang, Q.*; Feygenson, M.*; Yu, H. L.*; Wu, D.*; 尾原幸治*; 菊地龍弥*; 柴田薫; et al.

Nature Materials, 17(3), p.226 - 230, 2018/03

https://doi.org/10.1038/s41563-017-0004-2

被引用回数：121 パーセンタイル：96.83(Chemistry, Physical)

As a generic property, all substances transfer heat through microscopic collisions of constituent particles. A solid conducts heat through both transverse and longitudinal acoustic phonons, but a liquid employs only longitudinal vibrations. As a result, a solid is usually thermally more conductive than a liquid. In canonical viewpoints, such a difference also serves as the dynamic signature distinguishing a solid from a liquid. Here, we report liquid-like thermal conduction observed in the crystalline AgCrSe $_{2}$ . The transverse acoustic phonons are completely suppressed by the ultrafast dynamic disorder while the longitudinal acoustic phonons are strongly scattered but survive, and are thus responsible for the intrinsically ultralow thermal conductivity. This scenario is applicable to a wide variety of layered compounds with heavy intercalants in the van der Waals gaps, manifesting a broad implication on suppressing thermal conduction. These microscopic insights might reshape the fundamental understanding on thermal transport properties of matter and open up a general opportunity to optimize performances of thermoelectrics.

論文

Polar rotor scattering as atomic-level origin of low mobility and thermal conductivity of perovskite CH $_{3}$ NH $_{3}$ PbI $_{3}$

Li, B.; 川北至信; Liu, Y.*; Wang, M.*; 松浦直人*; 柴田薫; 河村聖子; 山田武*; Lin, S.*; 中島健次; et al.

Nature Communications (Internet), 8, p.16086_1 - 16086_9, 2017/06

https://doi.org/10.1038/ncomms16086

被引用回数：81 パーセンタイル：91.64(Multidisciplinary Sciences)

Perovskite CH $_{3}$ NH $_{3}$ PbI $_{3}$ exhibits outstanding photovoltaic performances, but the understanding of the atomic motions remains inadequate even though they take a fundamental role in transport properties. Here, we present a complete atomic dynamic picture consisting of molecular jumping rotational modes and phonons, which is established by carrying out high-resolution time-of-flight quasi-elastic and inelastic neutron scattering measurements in a wide energy window ranging from 0.0036 to 54 meV on a large single crystal sample, respectively. The ultrafast orientational disorder of molecular dipoles, activated at approximately 165 K, acts as an additional scattering source for optical phonons as well as for charge carriers. It is revealed that acoustic phonons dominate the thermal transport, rather than optical phonons due to sub-picosecond lifetimes. These microscopic insights provide a solid standing point, on which perovskite solar cells can be understood more accurately and their performances are perhaps further optimized.

論文

Study on fracture behavior of 2D-C/C composite for application to control rod of very high temperature reactor

角田淳弥; 藤田一郎; 柴田大受; 牧田太陽*; 高木俊*; 國本英治*; 沢和弘; Kim, W. J.*; Park, J. Y.*

IOP Conference Series; Materials Science and Engineering, 18(16), p.162010_1 - 162010_4, 2011/09

https://doi.org/10.1088/1757-899X/18/16/162010

被引用回数：1 パーセンタイル：52.78(Materials Science, Ceramics)

炭素繊維強化炭素複合材料(C/Cコンポジット)は、その強度及び耐熱性が優れていることからVHTR制御棒要素の候補材の一つである。C/Cコンポジットの亀裂進展は複雑なので、その破壊挙動はC/Cコンポジット製制御棒の設計において最も重要な課題の一つである。本研究では、炭素繊維とマトリックスの層構造である2次元C/Cコンポジットについて、モードII破壊特性を評価するため、酸化させた端面切欠き試験片を用いて曲げ試験を実施した。その結果、層間破壊靱性値は酸化率が大きくなるにつれて減少した。これは、破壊靱性がマトリックスの酸化によって減少したことによるもので、その減少率はマトリックスのタイプに依存することがわかった。また、亀裂は繊維束間で発生し、繊維を断裂させることなく繊維束間に沿って成長することがわかった。繊維とマトリックス間で発生した亀裂は、繊維束間の層間ボイドに集まり、その後マトリックスを通って成長すると考えられる。

論文

2次元C/C複合材料の超高温ガス炉への応用のための特性評価

柴田大受; 角田淳弥; 牧田太陽*; 高木俊*; 國本英治*; 沢和弘; Kim, W. J.*; Jung, C. H.*; Park, J. Y.*

日本機械学会論文集,A, 76(764), p.383 - 385, 2010/04

日本原子力研究開発機構では、1000 $^{circ}$ C近い高温のガスを炉外に取り出すことができる超高温ガス炉(VHTR)の研究開発を進めており、高効率発電や水素製造への利用が可能である。VHTRの炉内構造物には、金属に代わる耐熱性に優れた耐熱セラミックス複合材料を開発することが重要であり、炭素繊維強化炭素複合材料(C/C複合材料)は候補材料の一つであるが、炉内構造物への応用のためには、その破壊挙動を明らかにしておく必要がある。本研究では、二次元(2D-)C/C複合材料についてSENB試験片により破壊特性を評価し、以下の結果を得た。(1)3つの銘柄の2D-C/C複合材料について、金属材料の評価式を適用して応力拡大係数を評価することを試み、今回の試験体系で材料ごとの破壊特性を評価することができる見通しを得た。(2)荷重-開口変位量曲線において、き裂の進展だけではなく層間はく離の効果が含まれていることを確認した。今後、定量評価を行う予定である。

論文

Structural studies of K $_{2}$ O-B $_{2}$ O $_{3}$ melts and glasses

梅咲則正*; 喜多善史*; 飯田孝道*; 半田克巳*; 小原真司*; 鈴谷賢太郎; 福永俊晴*; 三沢正勝*

Physics and Chemistry of Glasses, 41(5), p.304 - 308, 2000/10

アルカリボレート(K $_{2}$ O 10, 30mol %-B $_{2}$ O $_{3}$ )ガラス及び融体の構造をパルス中性子回折で調べた。K $_{2}$ Oの量が増加することによって、動径分布関数のB-O相関に関する最接距離のピークが長い距離側にふくらみはじめ非対称なピークへ変化することがわかった。これは、アルカリ酸化物K $_{2}$ Oの添加によって、B $_{2}$ O $_{3}$ ガラスのユニット構造であるBO $_{3}$ 三角形の一部が、BO $_{4}$ 四面体へと、変化したことを意味している。また、アルカリ金属イオンK $^{+}$ の局所構造を調べるため、KのK吸収端でのEXAFS測定を行った。その結果、K-Oの原子間距離は2.83~2.86Åであり、Oは、Kの周り八面体的に6配位していることがわかった。

論文

Structure of K $_{2}$ O-B $_{2}$ O $_{3}$ glasses and melts

梅咲則正*; 喜多善史*; 半田克己*; 小原真司*; 鈴谷賢太郎; 福永俊晴*; 三沢正勝*; 飯田孝道*

電気化学および工業物理化学, 67(6), p.541 - 546, 1999/00

ホウ酸塩(B $_{2}$ O $_{3}$ )ガラス及び融体へのアルカリ金属酸化物(K $_{2}$ O)添加の構造への影響を中性子回折によって調べた。K $_{2}$ O~10mol%では、Bの回りのOの配位数は3.0であり、B $_{2}$ O $_{3}$ と同様BO $_{3}$ 三角形が構造ユニットであるが、K $_{2}$ O~30mol%では配位数が3.4であり増加を示した。これは、K $_{2}$ Oの添加によってBO $_{3}$ ユニットがBO $_{4}$ 四面体ユニットに一部変化したことを意味している。こうした構造変化は、ラマン散乱やNMRの結果から推定されていたが、本研究によって定量的に初めて明らかになった。

論文

Earthquake-related water-level changes at 16 closely clustered wells in Tono, central Japan

King, C.-Y.; 吾妻瞬一; 五十嵐丈二; 齊藤宏; 脇田宏

Journal of Geophysical Research; Solid Earth, 104(B6), p.13073 - 13082, 1999/00

https://doi.org/10.1029/1999JB900080

被引用回数：102 パーセンタイル：86.35(Geochemistry & Geophysics)

東濃鉱山周辺の400m範囲内の16観測井において、地震と地下水挙動の関係の解明を目的に、地下水位や多深度における間隙水圧の連続観測を実施している。97年3月16日の愛知県東部の地震などの周辺や遠隔地の地震に対し、上層の堆積層や基盤である土岐花崗岩を対象とした観測点において25例ものコサイスミックな水位低下を観測した。この変動は、地震に伴う地殻歪の変動から計算される変化より大きく、かつ様々な地震に対して全て水位低下を示すことから、地殻歪によるものではなく、当観測領域の構造敏感性によるものと考えられる。更に花崗岩領域の観測点では、地震後約1週間から1ヶ月にわたるポストサイスミックな水位・水圧の上昇を示す場合があった。これらを説明する構造敏感性の原因として、当地域を東西に貫く月吉断層の、コサイスミックな地震動に伴う微小割れ目の形成による透水係数の増加と、ポストサイスミックな応力の緩和及び地下

論文

Structure of M $_{2}$ O-B $_{2}$ O $_{3}$ (M: Na and K) glasses and melts by neutron diffraction

半田克巳*; 喜多善史*; 小原真司*; 鈴谷賢太郎; 福永俊晴*; 三沢正勝*; 飯田孝道*; 岩崎博*; 梅咲則正*

Journal of Physics and Chemistry of Solids, 60(8-9), p.1465 - 1471, 1999/00

https://doi.org/10.1016/S0022-3697(99)00143-2

被引用回数：16 パーセンタイル：64.83(Chemistry, Multidisciplinary)

アルカリホウ酸ガラスM $_{2}$ O-B $_{2}$ O $_{3}$ (M: Na, K) 及び融体の構造をパルス中性子全散乱によって調べた。M $_{2}$ Oの量(10~30mol%)が増加するにつれて、g(r)のB-Oに相当する第1ピークが非対称に分裂していくのが見いだされ、配位数N $_{B-O}$ も3.0から3.5に変化した。これは明らかに、BO $_{3}$ のユニットに対して新たにBO $_{4}$ のユニットが生成したことを意味している。つまり、M $_{2}$ Oの添加によって、B $_{2}$ O $_{3}$ ガラスのBO $_{3}$ ユニットがBO $_{4}$ に変化したと考えられる。こうした変化は、融体でも同様に観察された。また、EXAFSによって、添加イオンK $^{+}$ の分布構造を調べたが、K-Oの原子間距離は2.83~2.86Åで、配位数N $_{K-O}$ は、約6であることが明らかになった。

論文

微小クラックの分類による稲田花崗岩と栗橋花花崗閃緑岩の力学的弱面について

Chen, Y.*; 西山孝*; 喜多治之*; 佐藤稔紀

応用地質, 38(4), p.196 - 204, 1997/00

顕微鏡スケールの微小クラックと稲田花崗岩栗橋花崗閃緑岩の割れやすい面との関係を蛍光法と画像処理を用いて調べた。観察される微小クラックを存在状況に基づき、粒内クラック、粒間クラック、粒界クラックに分類した。稲田花崗岩には、rift plane, grain plane, hardway planeの3つの直交する弱面が存在するが、rift planeは粒間クラックの方向性によって決定され、grain planeは粒内クラックの方向に一致する。栗橋花崗閃緑岩には明瞭な弱面は認められない。しかしながら、粒内クラック、粒界クラックに卓越した方向性がみられるので、弱いながらも潜在弱面が存在するものと推察された。

論文

CCFL characteristics of PWR steam generator U-tubes

与能本泰介; 安濃田良成; 久木田豊; Y.Peng*

Proc. of the Int. Topical Meeting on Safety of Thermal Reactors, p.522 - 529, 1991/00

ROSA-IV大型非定常装置(LSTF)を用いてリフラックス凝縮実験を行なった。LSTFは、加圧水型原子炉の体積比1/48の模擬装置である。実験結果は、蒸気発生器細管入口における無次元蒸気流速√J $_{gast}$ が0.64を越える場合に、対向流制限(CCFL)によって細管内に顕著な蓄水が生じる事を示した。実験結果ならびに重力、界面せん断応力、壁面せん断応力間のつりあいの解析により蒸気発生器細管におけるCCFL特性を明かにした。本実験結果を用いたRELAP5/MOD2及びMOD3コードの評価結果は、1)MOD2コードでは蓄水挙動が計算されない事、及び2)MOD3コードは蓄水挙動を定性的に再現する事を示した。

論文

Single and two-phase natural circulation in Westinghouse pressurized water reactor simulators: Phenomena analysis and scaling

P.R.Schulz*; J.C.Chapman*; 久木田豊; F.E.Motley*; Stumpf, H.*; Y.S.Chen*; 田坂完二

Natural Circulation, p.59 - 70, 1987/00

ROSA-IV計画LSTF装置で実施したPWR自然循環模擬実験ST-NC-01を計算コードTRAC-PF1により解析した。

論文

Ferro- and antiferroelectric substances

下司和男; Ikda, T.*; Kobayashi, J.*; Makita, Y.*; Nakamura, E.*; Niizeki, N.*; Nomura, S.*; Sakudo, T.*; Shiozaki, Y.*; Tatsuzaki, I.*; et al.

Landolt-Brnstein, New Series III/3 Suppl., 496 Pages, 1974/00

抄録なし

口頭

2次元C/C複合材料の超高温ガス炉への応用のための特性評価

柴田大受; 角田淳弥; 牧田太陽*; 高木俊*; 國本英治; 沢和弘; Park, Y.*; Kim, W. J.*; Jung, C. H.*

no journal, ,

日本原子力研究開発機構では、1000 $^{circ}$ C近い高温のガスを炉外に取り出すことができる超高温ガス炉(VHTR)の研究開発を進めており、高効率発電や水素製造への利用が可能である。VHTRの炉内構造物には、金属に代わる耐熱性に優れた耐熱セラミックス複合材料を開発することが重要であり、炭素繊維強化炭素複合材料(C/C複合材料)は候補材料の一つであるが、炉内構造物への応用のためには、その破壊挙動を明らかにしておく必要がある。本研究では、二次元(2D-)C/C複合材料についてSENB試験片により破壊特性を評価し、以下の結果を得た。(1)金属材料の評価式から求めた3つの銘柄の2D-C/C複合材料の応力拡大係数は8から15MPa m $^{1/2}$ であり、今回の試験体系で材料ごとの破壊特性を評価できる見通しを得た。(2)荷重-開口変位量曲線において、き裂の進展だけではなく層間はく離の効果が含まれていることを確認した。今後、定量評価を行う予定である。

口頭

BCC-Feにおける転位-結晶欠陥集合体間相互作用の原子論的解析

早川頌; 沖田泰良*; 板倉充洋; Haixuan, X.*; Osetsky, Y.*

no journal, ,

本研究は、原子炉構造材特有の材料劣化であるボイドスエリングのミクロメカニズムである、自己格子間原子集合体の転位への吸収過程における保存的上昇運動を通した三次元的運動に関して、原子論的アプローチによる予測手法を構築することを目的としている。本発表では、上記自己格子間原子集合体の保存的上昇運動を通した三次元的運動に関する原子的挙動予測手法と、手法の妥当性検証のために行なった分子動力学計算との比較結果を公表する。開発した手法とそれにより得られる結果は、従来ボイドスエリング定量化の際に欠落していた自己格子間原子集合体の三次元的挙動に関する新たな知見を与えるものであり、原子炉構造材の劣化予測に大きく資するものである。

口頭

BCC鉄における自己格子間原子集合体の三次元的運動に関する検討

早川頌*; 沖田泰良*; 板倉充洋; Haixuan, X.*; Osetsky, Y.*

no journal, ,

本研究は、照射下原子炉構造材に特有の結晶欠陥である自己格子間原子集合体に着目し、これら集合体の成長・合体の誘発メカニズムである集合体の三次元的挙動の定量化を目的とする。本発表では、シミュレーション技術開発室がこれまで行なってきた集合体三次元的挙動に関するon-the-fly kinetic Monte Carloによる計算結果と、それらから抽出できる知見を発表する。