Elucidating mechanism of energy concentration using liquid-gas phase change and its practical application in the medical and dental engineering

利用液-气相变阐明能量集中机制及其在医学和牙科工程中的实际应用

• 批准号: 22KK0050
• 负责人: 祖山 均
• 金额: $ 12.9万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B))
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-10-07 至 2026-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KK0050/
• 关键词: キャビテーション; サブクール沸騰; 縦渦状気泡; パルスレーザ; ３Dプリント材

1. 本研究では，液相⇒気相⇒液相の気液相変化現象において，気泡の圧潰時に生じる衝撃力が，従来研究されてきた「球状気泡」よりも「縦渦状気泡」のほうが強力であることを実験的に発見した事実に基づき，縦渦状気泡の圧潰に着目して研究を遂行している。European-XFELにおいてMHzオーダで気泡の圧潰現象を時間・空間的に解明するために，研究代表者がEuropean-XFELに直接出向いて可視化実験の予備試験を行い，東北大学において可視化用観察部を開発した。2. 本研究では，気泡圧潰時の衝撃力を機械的表面改質に活用して生体インプラント用金属製３Ｄプリント材の疲労特性向上を目指している。そのために，東北大学において縦渦状気泡の圧潰衝撃力を用いて金属製３Ｄプリント材の機械的表面改質を行い，研究代表者が当該試験片をオックスフォード大学に持参して，機械的表面改質層の評価を行った。3. 機械的表面改質による疲労強度向上の要因の一つに圧縮残留応力の導入があり，残留応力を正確に評価する必要がある。そこで，カリフォルニア大学デービス校と協力して機械的表面改質層の残留応力の評価法を構築するために，穿孔法とX線回折を用いたsin2ψ法，cosα法，2D法を比較検討し，2D法により局所的残留応力を評価できることを実証した。4. 金属製３Ｄプリント材の疲労強度がバルク材の半分程度である一因は，未溶融の粒子による表面粗さが著しく大きいことである。本研究では，研究代表者とワシントン大学のSanders教授が開発したCASF(Cavitation Abrasive Surface Finishing)を踏まえ，東北大学において新たな砥粒を用いた表面改質法を開発し，疲労強度向上を実証した。5. 流体／材料連成解析により，気泡形状により圧潰衝撃力が大きく異なることを明らかにした。

1. 在这项研究中，我们发现，在从液相到气相再到液相的气液相变现象中，“垂直螺旋气泡”在气泡破裂时产生的冲击力比之前研究的要强“球形气泡。”基于我们通过实验发现的事实为了阐明European-XFEL在时间和空间上的气泡破裂现象，主要研究人员直接前往European-XFEL进行了初步的可视化实验，并在东北大学开发了用于可视化的观察装置。 2. 在这项研究中，我们的目标是利用气泡破裂时产生的冲击力进行机械表面改性，提高生物植入金属3D打印材料的疲劳性能。为此，我们在东北大学利用垂直螺旋气泡的破碎冲击力对金属3D打印材料进行了机械表面改性，研究代表将测试样本带到了牛津大学进行了机械表面改性层的评估。 3、通过机械表面改性提高疲劳强度的因素之一是残余压应力的引入，需要准确评估残余应力。因此，我们与加州大学戴维斯分校合作，利用穿孔法和X射线衍射对sin2ψ法、cosα法和2D法进行了比较和研究，以开发一种评估机械改性表面残余应力的方法。事实证明，可以使用二维方法评估局部残余应力。 4、金属3D打印材料的疲劳强度约为块状材料的一半，原因之一是未熔化颗粒造成的表面粗糙度极大。在这项研究中，东北大学的首席研究员兼华盛顿大学桑德斯教授以CASF（空化磨料表面精加工）为基础，开发了一种使用新型磨粒的表面改性方法，并证明了疲劳强度的提高。 5. 流体/材料相互作用分析表明，破碎冲击力根据气泡形状而变化很大。

项目成果

Iowa State University(米国)

爱荷华州立大学（美国）

Relationship between a non-spherical collapse of a bubble and a stress state inside a wall

• DOI: 10.1063/5.0136355
• 发表时间: 2023-02-01
• 期刊: PHYSICS OF FLUIDS
• 影响因子: 4.6
• 作者: Iga, Yuka;Sasaki, Hirotoshi
• 通讯作者: Sasaki, Hirotoshi

Laser Cavitation Peening: A Review

激光空化喷丸：回顾

• DOI: 10.20944/preprints202304.1006.v1
• 发表时间: 2023
• 期刊: Preprints (www.preprints.org)
• 作者: Soyama Hitoshi;Iga Yuka
• 通讯作者: Iga Yuka

微粒子衝突処理法によるステンレス鋼SUS316Lの疲労強度向上

颗粒碰撞处理法提高不锈钢SUS316L的疲劳强度

• 发表时间: 2023
• 作者: 久慈 千栄子;祖山 均
• 通讯作者: 祖山 均

Fluid/Material Coupled Numerical Simulation of a Bubble Collapse near a Wall for Laser Cavitation Peening

激光空化喷丸近壁气泡破裂的流体/材料耦合数值模拟

• 发表时间: 2023
• 作者: Iga Yuka;Kuji Chieko;Hirotoshi Sasaki;Soyama Hitoshi
• 通讯作者: Soyama Hitoshi