最も軽い構造用金属の力学多機能化

　Mg合金の中でも、リチウム（Li）を添加したMg-Li基合金は、実用可能な金属材料の中で最も軽いという特性を持ち、優れた加工性も兼ね備えています。Mg-Li基合金の密度は1.4 g/cm3程度でありAlの半分、鉄の1/5程度と格段に軽く、他の金属材料では実現不可能な特長を有しています。本合金系はその軽量性から、20世紀初頭から航空宇宙材料としての応用を目指した研究開発が世界中で行われてきました。しかし、Li相を含む本合金系は他の軽金属と比べても強度や耐久性に課題があり、力学機能の不足から実用化は見送られてきたという経緯があります。近年、マルチスケール（ナノ～サブミリメートル）にわたる組織制御技術の進展によりMg-Li基合金における多様な力学機能発現の可能性が浮上し、本研究ではその力学機能を飛躍的に向上させることに挑戦しています。

Research

強度と耐食性を兼ね備えたMg/Znクラッド材の開発（2026/4/20発表）

現在、整形外科や歯科の医療用インプラントとしてチタン合金やステンレス鋼が広く用いられていますが、これらは体内で分解されないため、骨組織が治癒した後にインプラントを取り出すための再手術が必要となります。この身体的・経済的負担や感染リスクを軽減するため、治癒期間中は骨を支え、その後は体内に吸収される生体内分解性インプラントの開発が強く求められています。生分解性金属の中でも、マグネシウム（Mg）は骨に近いヤング率と高い比強度を持ちますが、人体のような塩化物イオンが豊富な環境下では分解速度が速すぎるという致命的な欠点があります 。一方で亜鉛（Zn）は分解速度が適度であるものの、インプラントとして荷重を支えるには強度が不足しています。 

我々は、力学特性が優れたMg-Li-Al合金をコア（中心部）とし、その周囲を分解速度の遅いZnで覆う保護層とするクラッド複合材料の設計戦略を提案しました。主な成果は以下の通りです。 

〇理論予測を上回る高強度化: 引張試験の結果、作製した複合材料は優れた強度と延性のバランスを示しました。特に強度の面では、単純な複合則（ROM）から理論的に予測される値を上回る結果が得られました。これは、性質の異なる材料の接合界面におけるひずみの不適合により、柔らかいZn層側に幾何学的必要転位（GND）が高密度に蓄積し、異種変形誘起（HDI）硬化というメカニズムが主要な役割を果たしているためであることが判明しました。  

〇劣化の抑制と材料設計: 電気化学的測定により、表面のZn層が高い耐食性を示し、腐食しやすいMg合金コアの急速な劣化を効果的に抑制できることが示されました。 また、各層の体積分率（厚さの比率）を変化させることで、材料全体の強度や延性、最終的な分解時間を調整可能であることが明らかになりました。  

詳細は以下の論文で公表しています。

Takahiro Mineta, Daisuke Maruyama, Masashi Nishimoto, Hetero-deformation induced strengthening and corrosion control of Mg-Li-Al/Pure Zn clad composites, Materials Today Communications, 52 (2026) 115226

https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2026.115226

不均一組織制御によるMg-Li基合金の耐クリープ性向上（2026/3/12発表）

Mg合金は非常に軽量で比強度が高く、次世代の輸送機器や航空宇宙分野の構造材料として期待されています 。特にLiを添加したMg-Li合金は、室温での加工性に優れる超軽量材料として注目を集めています。しかし、Mg合金は融点が低いため、自動車や航空機のエンジンブロックなど高温で長時間使用される環境下でのクリープ（時間経過とともに変形が進行する現象）耐性が劣ることが産業応用に向けた課題となっています。

我々は、スピノーダル分解により強化されたβ相とクリープ耐性に優れるα相からなる層状（ラメラ）組織のMg-9Li-4Al-1Zn合金を用いて、耐クリープ性とその異方性を評価しました。主な成果は以下の通りです。  

〇引張方向によるクリープ特性の異方性: 引張応力の方向と相境界の幾何学的な関係によって、クリープ速度や破壊挙動が異なることを明らかにしました。相境界と平行に荷重をかけた場合（等ひずみ条件）ではクリープ耐性に優れる硬いα相が変形を支配し、高い耐クリープ性を発揮します。一方で、相境界と垂直に荷重をかけた場合（等応力条件）では柔らかいβ相にひずみが集中するため、耐クリープ性が劣化することを明らかにしました。

〇複合材料理論に基づく材料設計: このようなクリープ挙動の異方性は、複合材料理論によって明確に説明できることが実証されました。この研究から得られた知見は、層状組織を持つ材料において特定の方向に対する高いクリープ耐性を意図的に設計するための基盤となる枠組みを提供します。

詳細は以下の論文で公表しています。

Takahiro Mineta, Furawa Saijo, Haruto Saijo, Tensile creep anisotropy and analysis based on composite theory of duplex Mg-9Li-4Al-1Zn alloy with geometric and mechanical heterogeneity, Journal of Magnesium and Alloys, 17 (2026) 102020

https://doi.org/10.1016/j.jma.2026.102020