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



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2026.2.17 卒業論文試問会&打ち上げ!!

卒業論文の試問会が開催され、大坂君、関戸君、濱崎君、新井君、加藤君、城之下君が無事に試問をクリアしました!!その後は打ち上げで大いに盛り上がりました!!

2026.2.13 修士論文試問会!!

 赤尾君(M2)と早川君(M2)が修士論文の試問会にて最後の発表を終えました!!お疲れさまでした!!

 

2025.12.26 B4中間報告会&忘年会!!

B4の卒論に向けた中間報告会を行いました!!夜には忘年会を実施しました!!

2025.12.8-12 国際学会発表!!

 パシフィコ横浜ノースにて開催された国際会議「Materials Research Meeting 2025 (MRM2025)」内の「The 2nd international symposium on Creation of Materials by Superthermal Field 2025 (CMSTF2025)」にて、河邉君(M1)、渡邊君(M1)、中岡君(M1)、篠崎君(M1)がポスター発表を、森下教授が口頭発表を行いました!!

 

2025.11.27-28 発表&受賞!!

東京大学物性研究所にて開催された「第19回 物性科学領域横断研究会 (領域合同研究会)」に森下教授と中岡君(M1)が参加しました!!本研究会は物性科学・材料科学に関連する学術変革領域研究(A)の11領域と学術変革領域研究(B)の4領域とが一堂に会するイベントです。ポスター発表も各領域の若手が集まり、「超温度場材料創成学」からも中岡君を含めた6名が発表しました。物性研究の報告が多い中で、見事に中岡君が「若手奨励賞」を受賞しました!!

2025.11.13-14 オンライン教育講座

 日本金属学会が主催するオンライン教育講座にて、森下教授が京都大学の安田秀幸先生とともにオンライン教育講座『凝固の科学』を実施しました!!

 

2025.11.11-24 SPring-8で実験!!

河邉君(M1)、渡邊君(M1)、中岡君(M1)、篠崎君(M1),新井君(B4), 加藤君(B4), 城之下君(B4) と森下教授とで兵庫県のSPring-8にて実験を行いました。今回はJFCCの井田先生や九州大学の田中学先生にも共同実験者として途中参加いただきました!!

2025.11.1-2 学会発表!!

 アクリエひめじで開催された日本銅学会 第65回講演大会にて、テーマセッション「3Dプリンタ関連技術」の中で森下教授が依頼講演を行いました!!

 

2025.10.11-12 学会発表!!

久留米シティプラザで開催された日本鋳造工学会 第186回全国講演大会にて赤尾君(M2)と早川君(M2)が口頭発表を行いました!

2025.9.24 受賞!!

 先日開催された日本金属学会 2025年秋期(第177回)講演大会での赤尾君(M2)のポスター発表が第45回優秀ポスター賞を受賞しました!!おめでとうございます!!

 

2025.9.20-21 学会発表!!

北海道青少年会館コンパスで開催された学術変革領域(A) 超温度場材料創成学 令和7年度 『超温度場夏の学校 若手研究交流会』にて、篠崎君(M1)と渡邊君(M1)がポスター発表を、河邉君(M1)と中岡君(M1)が口頭発表を行いました!!中岡君の発表が最優秀発表賞を受賞しました!!

2025.9.17-19 学会発表!!

 北海道大学札幌キャンパスで開催された日本金属学会 2025年秋期(第177回)講演大会にて、赤尾君(M2)、早川君(M2)がポスター発表を、高島君(M1)、岸川君(M1)、河邉君(M1)、篠崎君(M1)、中岡君(M1)、渡邊君(M1)が口頭発表を、森下教授が基調講演を行いました!!

 

2025.9.1-3 学会発表!!

東京都立産業貿易センター 浜松町館で開催された日本Additive Manufacturing学会 第1回講演大会にて、森下教授がシンポジウムで口頭発表を行いました!!

2025.8.20 院試打ち上げ!!

 二日間にわたる大学院入学試験を無事終え、研究室皆で打ち上げを行いました!!4年生はお疲れさまでした!!

 

2025.8.9 講義

九州大学未来創成科学者育成プロジェクト(QFC-SP)のQFC-SPプライマリにて森下教授が講義を行いました!!

2025.8.3 オープンキャンパスでデモ実験!!

 河邉君(M1)、渡邊君(M1)、中岡君(M1)、高島君(M1)、岸川君(M1)と森下教授とで2025年度九州大学オープンキャンパスにてデモ実験を行いました!!参加者が「楽しかったねー」と言って帰ってもらえるような大盛況なイベントとなりました!!

 

2025.7.26 講義

九州大学未来創成科学者育成プロジェクト(QFC-SP)のQFC-SPプライマリにて宮原教授が講義を行いました!!

2025.7.12-23 SPring-8で実験!!

 河邉君(M1)、渡邊君(M1)、中岡君(M1)、篠崎君(M1)と森下教授とで兵庫県のSPring-8にて実験を行いました。今年は4年生にも数日だけ来てもらい、実験に参加してもらいました!!

 
 








Miyahara Laboratory

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

宮原研究室

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