Solidification and Crystal Growth for Metals, Ceramics and Composite Materials

結晶成長・凝固・鋳造の原理解明とそれを利用したものづくり

融液成長は液相から固相への相変態ですが,その過程においては複雑な形状をとるものや,合金元素の濃度が場所によって変化するなど,制御しなくてはいけない因子が無数に存在します.宮原研では金属,半導体,セラミックスなどの種々の構造材料及び機能材料について,目的を達成しうる「組織」へと制御するプロセスについて研究しています.例えば太陽電池に用いられるシリコン結晶は,シリコンを融液内で一方向に成長させて作製します.結晶品位はエネルギー変換効率に大きく影響しますので,高い性能を持つ多結晶シリコンを目指して組織制御を行います.また,自動車などの輸送機器の一部の部品では軽量なアルミニウム合金やマグネシウム合金を溶解・凝固して製造します.溶融合金の湯流れでは不純物や気泡を巻き込む恐れがあるため,分散する不純物の除去を目的とした,湯流れと凝固組織の制御について研究しています.さらに,製鉄所で製造される鋼板や鋳型内で凝固する鋳鉄等の大きなものから,金属3Dプリンターで繰り返される小さなものまで,組織の形状及び分布が製品の性質を大きく左右します.高性能の材料の実現を目指して,結晶成長・凝固・鋳造の原理解明とその制御方法について研究しています.

Crystal growth from melt is a phase transformation from the liquid phase to the solid phase, and there are a myriad of factors that must be controlled during this process, such as complex shapes and variations in the concentration of alloying elements within the melt. In Miyahara Laboratory, we are studying the control process so as to allow various structural and functional materials such as metals, semiconductors, and ceramics to develop into microstructures that achieve the desired properties. For example, silicon crystals for solar cells are manufactured by unidirectional crystal growth in silicon melt. Since the crystal quality greatly affects the energy conversion efficiency, microstructure control is performed to achieve polycrystalline silicon with a high performance. In addition, some components of transportation machines such as automobiles are manufactured by melting and solidifying lightweight aluminum and magnesium alloys. Since impurities and bubbles may be entrained in the molten alloy flow, we are studying the control of flow and solidification structure to remove dispersed impurities. In addition, the properties of products are affected greatly by the shape and distribution of microstructures, which are determined in a large range for some products such as steel plates manufactured in steel plants and cast iron solidified in molds, or in a small range for other products such as objects fabricated with metal 3D printers by repeated melting and solidification. We are investigating the principles of crystal growth, solidification and casting, and their control methods to realize high-performance materials.

Non-facet growth
サクシニトリルのノンファセット成長

融けた金属の中での固体金属の成長(凝固)は、一般的には樹の枝のような複雑な形状をしたデンドライトと呼ばれる形態で進みます。金属材料の凝固中の様子を観察することは難しく、昔から透明有機物を用いた観察がされてきました。上の図は。サクシノニトリルを用いたデンドライトのその場観察例です。最近では金属材料そのものの凝固過程のその場観察も大型放射光施設などで行われるようになってきています。当研究室でも森下准教授が金属材料のレーザー溶融・凝固現象のその場観察を実施しています。
Facet growth
ザロールのファセット成長

一方で、こちらの図のようにフラットな成長界面を持つ成長形態もあります。原子レベルでフラットになろうとするファセット成長は半導体材料や金属間化合物の凝固で多く見られます。


金属3Dプリンタの造型デモ

当研究室に設置されている金属3Dプリンタ(EOS社製M100)をインストールした際の造型の様子を動画にしてみました。SUS316L粉末を用いてホイールギアを造型している様子です。

材料工学科紹介ビデオ

材料工学科の紹介動画が公開されました!!宮原研は1:07~1:19です。





NEWS

最近の出来事をこちらにまとめています




2025.4.1 昇任!!

 2018年5月に宮原研准教授として九州大学に着任した森下先生が、本日付で九州大学工学研究院 教授に昇任されました!!

 

2025.4.1 新年度!!

 新年度が始まりました!学生も学年が一つ上がりました!!

 

2025.3.25 学位授与式

 博士・修士・学士の皆さんが本日、卒業・修了を迎えました!!椎木講堂での式典、材料工学部門での祝賀会を経て、ウエスト4号館2階のピロティにて研究室の学位授与式と記念撮影を行いました!!皆さんの今後の人生に幸多からんことを!!

2025.3.17-18 学変年度末報告会&若手ポスター発表!!

 大阪大学箕面キャンパスで開催された学術変革領域研究(A)「超温度場材料創成学」の年度末報告会にて森下准教授が報告を行いました。その後開催された若手ポスターセッションにて河邉君(B4)がポスター発表を行いました!!

2025.3.8-10 学会発表!!

 東京都立大学南大沢キャンパスで開催された日本金属学会2025年春期(第176回)講演大会にて赤尾君(M1)が、日本鉄鋼協会2025年春季(第189回)講演大会にて宮原教授がそれぞれ口頭発表を行いました!!

 

2025.2.28 教育講座

 オンラインで開催されたAM研究会(日本AM学会)第3回AM教育講座にて森下准教授が「放射光X線イメージングを用いたレーザー溶融・凝固現象のその場観察」という題目で講演を行いました。

2025.2.18-19 試問会

 修士論文・卒業論文の試問会が二日間にわたって行われ、当研究室の4名のM2学生と6名のB4学生の発表が無事に認められました!!19日の卒論発表後には打ち上げを行いました!!

2025.2.4 材工駅伝大会!!

 大雪予報の為、実施が危ぶまれていた「材工駅伝大会」が無事に実施され、何年振りかはわかりませんが(少なくとも6年)久しぶりに宮原研も出走しました!総合成績は4位!!水間君(B4)が区間賞を獲りました!!!

2025.1.30 公聴会

 博士後期課程の武谷さんが学位公聴会にて論文発表を行いました!!

2024.12.23 中間報告&研究室忘年会!!

 週末と週明けにかけて行った中間報告会の後で研究室の忘年会を行いました!!

2024.12.17 学会発表!!

 横浜のみなとみらいで開催された第34回日本MRS年次大会にて、松野君(M2)、齋藤君(M2)がポスター発表を行いました!!

2024.12.2-12 SPring-8で実験!!

 松野君(M2)、齋藤君(M2)、井口君(M1)、河邉君(B4)、渡邊君(B4)、中岡君(B4)、篠崎君(B4)と森下准教授とで兵庫県のSPring-8にて実験を行いました。

2024.11.29 受賞!!

 齋藤君(M2)、松野君(M2)、窪田君(M2)が日本鋳造工学会から奨励賞を授与されました!!

2024.11.26-27 学会発表!!

神戸大学百年記念館で開催された第18回物性科学領域横断研究会にて齋藤君(M2)がポスター発表を行いました!!

2024.11.22 材工ソフトボール大会決勝トーナメント!!

 今週前半に行われた材工ソフトボール大会の予選リーグを勝ち抜き、本日決勝トーナメントが行われました!!学部の学生実験TAで主力のM1が欠ける中、惜しくも4位という結果になりましたが皆さんよく頑張りました!!前日のゼミで「応援に行く」と言っていた宮原教授がいつの間にかキャッチャーをしていました!!!


2024.10.26-27 学会発表!!

富山国際会議場にて開催された日本鋳造工学会第184回全国講演大会にて、中澤君(M2)、赤尾君(M1)、早川君(M1)そして宮原教授が口頭発表を行いました!!

2024.10.11-12 発表&受賞!!

 琵琶湖畔のアヤハレークサイドホテルにて開催された学術変革領域研究(A) 超温度場材料創成学 令和6年度 『超温度場夏の学校 若手研究交流会』にて、齋籐君(M2)と松野君(M2)が口頭発表を行いました。そして齋藤君の発表が口頭発表優秀賞を受賞しました!!(写真は領域代表との記念撮影です)









All truths are easy to understand once they are discovered; the point is to discover them.

Galileo Galilei






Miyahara Laboratory Morishita Laboratory

Department of Materials
Kyushu University
Building No. WEST-4
744 Motooka, Nishi-ku, Fukuoka 819-0395 Japan

宮原研究室 森下研究室

九州大学 大学院 工学研究院 材料工学部門
構造用金属科学講座 材料複合工学講座
福岡県 福岡市 西区元岡744 九州大学ウエスト4号館

Faculty

Professor  Hirofumi MIYAHARA
Professor  Kohei MORISHITA