ナノスプリングの変形特性評価法の開発

开发评估纳米弹簧变形特性的方法

• 批准号: 18760083
• 负责人: 平方 寛之
• 金额: $ 2.24万
• 依托单位: Osaka University (2007)Kyoto University (2006)
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• 财政年份: 2006
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2006 至 2007
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-18760083/
• 关键词: ナノ構造; ナノスプリング; 変形特性; 材料強度; 材料試験法

寸法がナノメートルオーダーの構造を有する材料(ナノ構造体)は、バルクとは異なる物性を示す。また、動的斜め蒸着法を用いれば、基板の面内方位の制御によって螺旋やジグザグなどの特徴的な3次元構造を有するナノスプリングを成長させることが可能である。このようなナノ構造体を要素として様々な機能を有する微小電気機械デバイスを創造することが期待されているが、そのためにはナノ構造体の変形の力学についての基本的な理解が不可欠である。とりわけナノスプリングは、その構造に起因して力学特性が異方性を示す。しかし、ナノオーダーの構造体に対する実験・観察の困難さから、ナノスプリングの変形特性についてはほとんど解明されていない。本研究の目的は、ナノスプリングの変形特性を評価するための実験手法を確立するとともに、その変形の力学を明らかにすることである。とくに、特徴的なナノ構造と変形異方性の相関性について検討する。本年度は、前年度に開発したナノ構造集合薄膜に対する変形異方性評価法を用いて、ナノスプリング構造のみならず、ナノコラム構造、および傾斜ナノコラム構造集合薄膜に対する変形特性を評価した。さらに、得られた変形特性を基に、ナノ構造集合薄膜の強度を考える際に重要であるナノ構造集合薄膜と基板との接合界面部に生じる応力場を力学特性が等価な梁モデルを用いた有限要素法によって解析した。これらの結果、(1)傾斜ナノコラム構造集合薄膜では、せん断剛性に異方性が存在し、ナノコラム構造やナノスプリング構造の集合薄膜よりも対称性の低い変形異方性を有すること、(2)要素の離散的な構造に起因して、ナノ構造薄膜と基板の界面端部および界面き裂先端近傍では応力特異性が消失すること,を明らかにした。これらの成果の一部は、国内学会で講演発表するとともに、国際誌への掲載が決定している。

具有纳米量级结构（纳米结构）的材料表现出与本体不同的物理性质。此外，通过使用动态倾斜沉积，可以通过控制基底的面内取向来生长具有螺旋和锯齿状等特征三维结构的纳米弹簧。人们期望使用这种纳米结构作为元件来创建具有各种功能的微机电器件，但对此目的，对纳米结构变形动力学的基本了解至关重要。特别是，纳米弹簧由于其结构而表现出机械性能的各向异性。然而，由于实验和观察纳米级结构的困难，人们对纳米弹簧的变形特性知之甚少。本研究的目的是建立一种评估纳米弹簧变形特性的实验方法，并阐明变形的动力学。特别是，我们将研究特征纳米结构与变形各向异性之间的相关性。今年，我们利用前一年开发的纳米结构薄膜变形各向异性评估方法，不仅评估了纳米弹簧结构，还评估了纳米柱结构和倾斜纳米柱结构薄膜的变形特性。此外，根据获得的变形特征，我们使用具有等效力学性能的梁模型来模拟纳米结构薄膜与基底之间的粘合界面处产生的应力场，这在考虑纳米结构薄膜的强度时非常重要。采用有限元法对其进行了分析。这些结果表明：（1）具有倾斜纳米柱结构的薄膜在剪切刚度方面表现出各向异性，并且比具有纳米柱或纳米弹簧结构的薄膜具有较小的对称变形各向异性；（2）揭示了应力奇点在边缘处消失；纳米结构薄膜与基底之间的界面以及界面尖端附近由于单元的离散结构而产生裂纹。其中部分成果将在国内学术会议上发表，并在国际期刊上发表。

项目成果

Disappearance of stress singularity at interface edge due to nanostructured thin film

• DOI: 10.1016/j.engfracmech.2007.12.010
• 发表时间: 2008-07-01
• 期刊: ENGINEERING FRACTURE MECHANICS
• 影响因子: 5.4
• 作者: Sumigawa, Takashi;Hirakata, Hiroyuki;Kitamura, Takayuki
• 通讯作者: Kitamura, Takayuki

アルミニウムナノウィスカーの変形過程のその場観察

铝纳米晶须变形过程的原位观察

• 发表时间: 2007
• 作者: 高橋可昌;平方寛之;武村正輝;北村隆行
• 通讯作者: 北村隆行

Quantitative evaluation of plasticity of a ductile nano-component

• DOI: 10.1016/j.tsf.2007.08.062
• 发表时间: 2008-02
• 期刊: Thin Solid Films
• 影响因子: 2.1
• 作者: Y. Takahashi;H. Hirakata;T. Kitamura

らせんナノ構造を有する薄膜の変形特性

螺旋纳米结构薄膜的变形特性

• 发表时间: 2006
• 期刊: 日本機械学会2006年度年次大会講演論文集 1・06-1
• 作者: 平方寛之;松本祥平;武村正輝;北村隆行
• 通讯作者: 北村隆行

傾斜ナノコラム集合薄膜の変形異方性

由倾斜纳米柱组成的薄膜的变形各向异性

• 发表时间: 2007
• 作者: 武村正輝;平野賢;澄川貴志;平方寛之;鈴木基史;北村隆行
• 通讯作者: 北村隆行