Nagaoka University of Technology Institutional Repository

国立大学法人長岡技術科学大学博士（工学）doctoral thesi

PEÑAFLOR, GALINDO TANIA GUADALUPE

Study on Preparation of Hydroxyapatite Nanoparticle Films and Their Cytocompatibility Evaluation for Biomedical Applications

比嘉, 隼

瞬時損失最小モード切り替え法による高効率Dual Active Bridgeコンバータの開発

SARITA, MORAKUL

English

Study on Enhancement of Antibacterial Property by Fluorescent Complex of Hydroxyapatite with Amino Acids Fabricated by Cold Isostatic Pressing

NUORN, CHOOTHONG

Study on Preparation and Characterization of Phenyl-Modified Natural Rubber

LORCHIRACHOONKUL, PRINYA

Synthesis and Photoluminescence Properties of Alkali Metal Salt-doped Zinc Tungstates

金子, 智

フィルムと粘着剤の機械的特性が粘着フィルムのくさび押抜き特性に及ぼす影響

杉原, 幸信

1 
様式  
論 文 内 容 の 要 旨 
 
氏 名  杉原 幸信  
 
本研究は棒状粒子懸濁液に関してこれまで発生が証明できなかった流動配向による粘度
異方性の発現を実験的に証明したものである．この証明のために，流動配向状態の定量的
評価方法，流動配向を誘起する平面伸張流動場での粘度の測定方法，粒子配向による粘度
の異方性測定手法を新たに開発した．本研究で開発した各種の新技術はいずれも市販のレ
オメータに簡単な部品を加えるだけで測定可能な汎用的なものであり，懸濁液のレオロジ
ー測定において標準的手法となることを目指した．円筒カップ内の試料に砲弾型ボブを押
し込み，反力を測定することで低粘度流体の平面伸張粘度を評価した．ボブを円板型とす
ることでより高精度に平面伸張粘度を評価する手法を示し，円筒ボブを用いることで押し
込み流れにおける流入，流出圧損および第一法線応力差の影響を明らかにした．さらに，
円筒ボブの押し込みと同時に回転を加えることで粒子の配向状態における流動方向および
その直交方向の粘度を同時に評価し，配向により 2 つの粘度が異なることを証明した．さ
らに，粒子の配向秩序度の時間変化を可視化動画から評価する技術を構築し，配向秩序度
と粘度の関係を定量的に明らかにした．これにより，これまで不明であった棒状粒子の配
向と粘度変化の関係を実験的に明らかにした．本論文は全 7 章で構成されており，各章に
おいて得られた結果を以下にまとめる．  
第 1 章では，ネマチック液晶における粘度異方性や平面伸張粘度の測定手法に関する従
来の研究について議論し，本研究の目的を述べた．   
第 2 章では，流れ場の平面伸張速度が一定となるように設計された砲弾ボブと円筒型カ
ップからなる環状縮小流路を市販の回転型レオメータに取り付けて押し込み反力を測定し
た．そして，その反力から平面伸張粘度を算出する手法を提案した．この手法により評価
したニュートン流体および粘弾性流体の平面伸張粘度は，せん断粘度のおよそ 103 倍大き
い値となった．この原因として，全体の反力に占める平面伸張流れの影響が 1%以下であ
り，流れ場においてせん断流れが支配的であることを示した．この結果を鑑み，せん断流
れの影響を削減した平面伸張粘度測定に最適な砲弾ボブの形状は，長さの短い円板形状と
なることを示した．  
第 3 章では，第 2 章で得られた最適形状に則り，外縁部をナイフエッジとした円板形状
のボブを新たに作製した．このボブを用いることにより，評価したニュートン流体の平面
伸張粘度は理論値とよく一致した（相対誤差率 20%以下）．さらに，円板ボブを用いる手
法は，平面伸張粘度 10-1 Pa s オーダーの低粘度流体に適用できることを示した．これらの
結果は，以下の 3 つの仮定を導入することで得られた．1 つ目に，本手法では試験部近傍
で生じる環状急縮小流れを平面伸張流れとみなした．2 つ目に，円板ボブに作用する押し
込み反力を，①浮力と②試験部におけるせん断流れによって生じた圧力損失による力，③
平面伸張流れに起因した圧力損失による力の合力と仮定した．3 つ目に，ナイフエッジ型
円板ボブの厚さに代わる代表長さとして水力平均深さを用いた．  
2 
第 4 章では，同心二重円筒流路の内円筒ボブとカップの側面によって構成されるすき間
において発生する流入・流出圧力損失，および，試料が粘弾性流体の場合に生じる第一法
線応力差の測定について検討した．これにより，バグレイ・プロットを用いた流入・流出
圧力損失の測定方法がニュートン流体に対して有効であること，粘弾性流体に対しては更
なる検討が必要であることを示した．さらに，粘弾性流体である PAA0.2wt%の場合，長さ
25mm のボブを用いて評価した N1 が円錐円板型流路の値と定性的に一致した．さらに，ト
ータル・スラスト法に対して二桁ほど低いせん断速度領域を評価した．これにより，既存
の装置をそのまま使用するだけで低粘度粘弾性流体の第一法線応力差を測定できる可能性
を示した．  
第 5 章では，懸濁液の粒子配向と粘度異方性の関係を明らかにした．まず，市販の回転
型レオメータに新設計の同心二重円筒流路を取り付ける簡便な方法により，粒子配向を誘
起させながら直交する二方向のせん断粘度を同時に評価できる手法を構築した．この手法
より，等方性形状の球状粒子を分散させた懸濁液ではせん断粘度に異方性が生じないこと
を示した．これに対し，異方性形状の棒状粒子を分散させた懸濁液では，粒子配向方向に
対してせん断粘度に異方性が生じることが明らかとなった．粒子配向と直交方向のせん断
粘度の方が粒子配向に沿う方向の粘度よりも大きいことがわかった．この結果はネマチッ
ク液晶におけるミーソビッツの粘性係数の傾向と一致しており，棒状粒子を高濃度で分散
させた懸濁液がネマチック液晶と同様の性質を見せることが示された．さらに，棒状粒子
の分散濃度を変更することにより，粒子分散濃度がせん断粘度異方性の発現に及ぼす影響
を明らかにした．  
第 6 章では，粒子挙動の可視化とせん断粘度の測定を同時に行うことにより，過渡的せ
ん断流れ場における粒子配向状態とせん断粘度の相関関係を定量的に評価した．これによ
り，初期配向状態と定常状態における配向状態が異なる条件において，過渡的せん断流動
の印加直後にせん断粘度の増加現象が生じることが明らかとなった．この現象は初期配向
状態を半径方向としたときに最も大きく発現した．さらに，せん断粘度と粒子の姿勢の過
渡的な相関関係から，粒子が流れ方向に配向するにつれてせん断粘度の値が小さくなるこ
とを明らかにした．この結果は第 5 章で得られたせん断粘度異方性の結果と一致した．  
第 7 章では本論文の各章で得られた知見をまとめた．  
以上から，従来全く検討されていなかった形状異方性を有する粒子分散系流体における
粘度異方性の発現を実証し，工業的な必要性や重要性を示した．さらに，様々な試料を測
定でき，手軽に平面伸張粘度を評価できる手法が示された．  


Traditional Chinese

せん断・伸張複合流れ場における粒子配向と粘度異方性の関係

SARKAR, ARITRA

1 
（様式３）  
論 文 内 容 の 要 旨 
 
氏 名  SARKAR ARITRA 
 
 Most of the current investigations pertaining to the fatigue behaviour of structural 
materials are dedicated to either low cycle fatigue (LCF) or high cycle fatigue (HCF) 
loading even though it is a well known fact that engineering components experience a 
varying load history throughout their service life. To secure long term reliability in 
engineering components, effect of random fatigue and multi-level loading on 
mechanical behaviour is fast becoming an important field of research. Currently, this is 
a significant issue in sodium cooled fast reactors (SFR) where components of the 
primary sodium circuit are prone to damage induced by LCF as well as HCF. LCF was 
caused in the components of the main vessel by sharp thermal transients during 
start-up and shut-down of the reactor. On the other hand, thermal striping and 
stratification in the mixing tee-junctions coupled with oscillations in the sodium free 
level in the main vessel during steady state operation cause significant high cycle 
fatigue (HCF). The presence of HCF cycling at locations where LCF is significant is 
the most damaging scenario since HCF damage gets superimposed on the LCF, leading 
to strong LCF-HCF interactions. Apart from this, strong creep damage is also prevalent 
in the locations where LCF and HCF damage are present, due to static pressure loads 
during the steady state operation of the reactor. Hence, a thorough investigation into 
the interaction between different damage modes prevailing during the reactor operation 
(LCF, HCF and creep) is deemed necessary for ensuring better structural integrity of 
the reactor components. As of now, investigations pertaining to LCF-HCF interaction 
have been very few and limited mostly to ambient temperature. To simulate LCF-HCF 
interaction under SFR operating conditions, experiments need to be carried out at 
elevated temperatures, especially in the range of 823-923 K which encompasses SFR 
operating temperature. Accordingly, an extensive investigation is planned to study the 
LCF-HCF interaction over a wide range of temperature from ambient to 923 K, using 
sequential and block loading patterns. The investigation is carried out on a type 316LN 
austenitic stainless steel which is the favoured candidate material for the in-core 
structural components in SFRs. There have been only limited attempts at developing 
life prediction models, particularly under extreme loading conditions as in LCF and 
HCF. The conventional method of damage evaluation under random loading is to sum 
up all the LCF and HCF cycles as per the Palmgren-Miner rule which suffers serious 
limitations with respect to accuracy under LCF-HCF interactions wherein the 
difference in life levels is significant. This was addressed in the present study by 
revisiting these models in the light of LCF-HCF interaction and estimating the value of 
the constants on the basis of rigorous experimentation.   
2 
Sequential tests carried out at 923 K showed that remnant HCF lives decreased 
drastically with increase in prior fatigue exposure as a result of strong LCF-HCF 
interactions. The rate of decrease in remnant lives varied as a function of the applied 
strain amplitude. A threshold damage in terms of prior LCF life-fraction was found 
below which no significant LCF-HCF interaction takes place. Similarly, a critical 
damage during the LCF pre-cycling marking the highest degree of LCF-HCF 
interaction was identified which was found to depend on the applied strain amplitude. 
Investigation carried out on the fracture surface and substructure showed formation of 
isolated striation pockets and microtwins as the major manifestations of LCF-HCF 
interaction. All these features appear within the window of effective LCF-HCF 
interaction and hence are a strong function of the applied strain amplitude as well as 
the degree of prior LCF exposure. Influence of dynamic strain aging (DSA) under 
sequential LCF and HCF loading was investigated by conducting HCF tests on 
specimens subjected to prior LCF at temperatures where DSA is highly pronounced i.e., 
823-873 K. The cyclic hardening owing to DSA caused an early crack initiation 
through an increase in the cyclic stress response under LCF. On the other hand, the 
DSA-induced strengthening suppressed the crack initiation phase under HCF where the 
applied stress remains fixed. This mutually contrasting influence of DSA on LCF and 
HCF results in an anomalous fatigue behaviour in terms of remnant HCF life under 
LCF-HCF interaction. Detailed fracture surface examination revealed that extensive 
hardening associated with DSA leads to an extended zone of faceted appearance with 
river markings (Stage-I crack) under HCF cycling which reduces the crack growth rate 
by delaying the transition of crack from Stage-I to Stage-II, thereby leading to an 
extension of life in such cases. On the other hand, a highly striated fracture surface 
indicating a quick transition in crack from Stage-I to Stage-II, was observed for 
loading conditions with minimal or no influence of DSA, thus leading to lower life 
compared to the previous case.  
Influence of the synergistic effects of LCF, HCF, creep and their interactions was 
studied at ambient to 923 K using multi-step load sequences where specific number of 
small amplitude HCF cycles (termed as blocks) were introduced at the stabilized cyclic 
load under LCF for a given strain amplitude and repeated until failure. Cyclic life was 
found to decrease with the increase in HCF block size. However, the extent of decrease 
in cyclic life also depends on the LCF strain amplitude as well as temperature which is 
attributed to the additional damage incurred by creep and ratcheting. However, in the 
DSA regime at 823-873 K, the decrease in cyclic life and the accumulation of inelastic 
strain got saturated with increase in block-size. Typically, transgranular fatigue 
fracture, intergranular creep fracture or dimpled rupture was identified when failure 
was dictated by LCF, creep and ratcheting respectively. However, HCF damage was 
found to act as a catalyst by joining small transgranular (LCF) or intergranular (creep) 
3 
cracks, thus facilitating the crack propagation through strong synergistic 
LCF-HCF-creep interaction.  
Towards life-prediction under LCF-HCF interaction, the earlier models on damage 
curve approach was suitably modified taking into account the complexities associated 
with LCF-HCF interactions, with the objective of predicting the remnant HCF life after 
prior exposure to LCF. The accuracy of the method was checked and validated through 
the experimental data pertaining to LCF-HCF interaction, primarily at 923 K. Apart 
from life-prediction in two-level loadings (sequential LCF-HCF interaction), attempt 
was also made to predict life under combined (block) cycling, based on the concept of 
ΔKth (fatigue crack threshold) which is known to be affected significantly by the 
loading history (sequence of blocks in the present case).  
 
 
 
 
 
 


Low Cycle Fatigue-High Cycle Fatigue Interaction in Type 316LN Stainless Steel at High Temperatures

斯日貢

モンゴル語・日本語文法対比学習法に基づく適応型日本語学習用 e ラーニング教材設計法に関する研究

鳥羽, 忠信

（様式４）  
別紙２  
 
論文審査の結果の要旨  
 
学位申請者 鳥羽忠信  
 
本論文は、「中性子耐性を考慮した電子デバイスの高信頼化技術および安全技術に関す
る研究」と題し、6 章より構成されている。  
第 1 章「序論」では、本論文の研究の背景を明らかにし、論文の構成と FPGA（Field 
Programmable Gate-Array）によるシステム開発の研究要素・課題との関係を示した。  
第 2 章「電子システムにおける信頼性および安全性に関する背景と問題点」では、
FPGA の構造と中性子ソフトエラー検出方法、保護方策を分類し、論理回路の冗長設計
方法、CRAM 制御方法とソフトエラー検出メカニズム、論理情報の実装方法に関する基
本機能をまとめるとともに技術課題を抽出した。  
第 3 章「FPGA における論理的方策による高信頼設計」では、FPGA 内論理ブロック
の 3 重化と多数決回路で構成し、エラー発生部位の復旧後、復旧部位の動作周波数を加
速して正常部位とデータ同期をとることで、動作を継続した状態でエラー発生部位の復旧
を実現する無停止再構成手法を考案した。粒子加速器を使った中性子照射実験によって
FPGA を停止することなく復旧し動作を継続することを明らかにした。  
第 4 章「FPGA における診断制御による高信頼・安全設計」では、安全性とアベイラ
ビリティを両立する設計手法について考察し、FPGA における安全度水準 SIL3 を満足す
る設計条件を求め、さらに CRAM 内のエラー検出、訂正を高速化する優先制御と割り込
み巡回制御を実現する CRAM 診断マクロを開発した。これら方策を FPGA に搭載して
CRAM 診断マクロ回路が正常に動作すること明らかにした。  
第 5 章「FPGA 搭載機器の信頼性・安全性を考慮した最適設計」では、FPGA を搭載
した電子システムの高信頼、安全設計について考察し、電子システムにおける障害発生時
の復旧方法としてソフトエラー検出からシステム再起動までの復旧シーケンスを策定し
た。さらに、通信プロトコルにおけるデータリトライ機能との協調による復旧や、分割し
たブロック単位に論理エラー検出機能を設け CRAM 診断マクロ回路の割り込み機能と連
動させた制御周期内でのソフトエラー訂正、エラー発生時の出力のマスクと一時的な正常
時の値の保持などによる電子システムの高信頼、安全設計指針を策定した。  
第 6 章「まとめ」では、本博士論文で提案する論理的方策による高信頼性設計、診断
制御における高信頼・安全設計、信頼性・安全性を考慮した最適設計が半導体デバイスの
微細化および高集積化の急進に伴い拡大している FPGA における環境放射線ソフトエラ
ーに対して有効であることを示した。  
よって、本論文は工学上及び工業上貢献するところが大きく、博士（工学）の学位論文
として十分な価値を有するものと認める。  
 
審査委員主査 平尾裕司 印  


Japanese

中性子耐性を考慮した電子デバイスの高信頼化技術および安全技術に関する研究

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