上海交通大学の王浩偉教授のチームが、付加製造技術でひび割れに強いインテリジェントな上部構造を開発

出典: 上海交通大学材料科学工学部

最近、上海交通大学材料科学工学部の王浩偉教授のチームが、積層造形構造の設計において重要な進歩を遂げました。関連する結果は、国際的に有名な学術誌「ネイチャー・コミュニケーションズ」に「自然界に見られる亀裂抵抗メカニズムを実現するメタマテリアルのダメージ・プログラム可能な設計」と題する論文として発表されました（doi.org/10.1038/s41467-024-51757-0）。この研究は、インペリアル・カレッジ・ロンドンのミンソン・ファム教授のチームと香港大学のルー・ヤン教授のチームと共同で完了しました。

研究チームは機械学習を基盤として、亀裂プログラミング機能を備えた新型の上部構造セルを発明しました。独自の3次元プログラム可能な亀裂制御を実現しただけでなく、天然素材の複数の亀裂抵抗メカニズムを初めて3Dプリントされた上部構造に導入しました。高度にプログラム可能な亀裂設計と複数の亀裂抵抗メカニズムは、エンジニアリング材料の破壊の予測と保護機能を大幅に向上させただけでなく、複雑な材料と構造破壊力学の分野での研究に上部構造破壊プログラミングに基づく新しい道を提供しました。

この研究論文は上海交通大学が第一完成ユニットとなり、上海交通大学材料科学工学部博士課程の高振洋氏が筆頭著者、上海交通大学の王洪澤准教授と呉准教授が共同責任著者となった。共著者には上海交通大学博士課程の張暁林氏、インペリアル・カレッジ・ロンドンのミンソン・ファム教授、香港大学の呂楊教授、上海交通大学の夏存娟准教授、王浩偉主任教授も含まれる。

材料破壊の極めてランダムかつ突発的な性質、および亀裂の制御不能かつ急速な拡大は、力学、材料科学、機械工学などの多くの分野を長年悩ませてきた大きな問題です。エンジニアリング材料の複雑な破壊挙動を効果的に予測、制御、保護することは、機器の長期にわたる信頼性の高いサービスと安全性にとって非常に重要です。自然界では、生物の骨やセラミックなどの多くの天然素材が、複雑な微細構造を通じて亀裂を誘導し、さまざまな破壊強化メカニズムを通じて壊滅的な亀裂の拡大を効果的に防ぎます。

研究者らは、天然素材の破壊システム（図1）にヒントを得て、上部構造破壊プログラマブルセルを提案した。約1,000グループの異なるプログラム済みセル構成の破壊強度、破壊角度、破壊エネルギーなどの複数の物理量を機械学習で分析することで、上部構造プログラマブル破壊データベースを構築し、データ駆動型開発に基づく上部構造破壊プログラマブル設計プラットフォームを開発した。上部構造の亀裂の3次元プログラミング制御を実現し、天然素材の亀裂抵抗メカニズムに基づく上部構造の多種類の亀裂抵抗設計と理論体系を初めて確立した（図1b）。

図 1. 自然にヒントを得た上部構造破壊プログラム可能設計システム。
研究者らは、自然界の強化メカニズムの中核理論を統合し、人工材料に自由にプログラムできる一連の破壊強化上部構造システムを開発した（図2）。研究者らは、亀裂先端相互作用、亀裂遮蔽、補強ブリッジングなどの強化メカニズムを上部構造に適用し、ミクロレベルからマクロレベルまでの破壊強化現象の観察に成功した。これにより、上部構造、さらには人工材料における破壊強化メカニズムのプログラム可能な設計が初めて達成されただけでなく、将来のエンジニアリング材料の破壊研究のための破壊プログラミングの新しい探索方法も提供された。

図 2: 自然にヒントを得た上部構造に着想を得た、マクロおよびマイクロでプログラム可能な亀裂抵抗システム。
研究者らは、プログラム可能な破壊強化システムに基づいて、破壊の開始、亀裂の伝播、および亀裂誘導の各段階にさまざまな強化メカニズムを効果的にプログラムしました (図 3)。研究では、従来の上部構造の亀裂の急速かつ直接的な拡大と比較して、破壊プログラム可能な上部構造は、亀裂先端の鈍化と偏向、亀裂の捕捉と固定（図3b）を含む多くの強化および保護メカニズムを誘発し、破壊エネルギーが大幅に改善された（図3a）ことを指摘しました。同じ密度だが構成が異なる既存の上部構造と比較すると、破壊プログラム可能な上部構造は破壊エネルギー密度が 12 倍以上向上します。

図3. 異なる破壊強化および誘導メカニズムを備えたプログラム可能な破壊上部構造と従来の上部構造の破壊プロセス。
応用面では、破壊プログラム可能な上部構造は、マクロおよびミクロの機能破壊プログラミングを通じて、無人航空機や航空宇宙などの高度な機器の開発を促進することもできます。例えば、重要領域の上部構造の破壊プログラミング設計により、衝突時に航空機のコアコンポーネントの破壊変形保護を実現でき（図4）、そのサービスと故障のプロセスがより安全で信頼性が高くなります。

図4. プログラム可能な上部構造の機能的応用。
この研究は、国家重点研究開発計画（第2023YFB3712001号）、中国第一国家自然科学博士課程学生基金（523B2048）、中国国家自然科学基金（52075327）の支援を受けて行われました。

上海交通大学材料科学工学部特殊材料研究所は、金属基複合材料国家重点実験室の重要な構成部分であり、王浩偉教授が所長を務め、国際的に有名な大学や大企業と8つの共同研究室を設立しています。当研究所は主に新特殊材料の設計、調製、成形技術の研究に従事しており、多くの国家主要プロジェクトのニーズをサポートし、国防装備、航空宇宙、自動車、鉄道輸送など多くの分野で広く使用されています。長年にわたり、50件を超える重要な国防プロジェクト、重要な研究開発計画、民間航空機事前研究、民間航空宇宙事前研究、国家自然科学基金および国際協力プロジェクトを実施してきました。国内外の学術雑誌に約300本の学術研究論文を発表し、100件を超える中国国家発明特許を取得しています。彼は教育部技術発明一等賞、上海市技術発明一等賞、中国非鉄金属産業技術発明一等賞を受賞しました。当研究所は、「革新と創造、科学研究と国家への奉仕」の精神を堅持し、祖国を大切にし、社会に奉仕し、世界の科学技術の最先端と国家の主要なニーズに直面し、前進し、新たな高みへと登ります。

チームは現在、レーザー積層造形/レーザー成形プロセスと装置、積層造形材料の特性評価（微細構造、機械的特性、疲労）、積層造形プロセスのシンクロトロン放射イメージング、および積層造形上部構造の分野でポスドク研究員を募集しています。連絡先: 王洪澤 (hz.wang@sjtu.edu.cn)

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