| Project Area | Creation of Materials by Super Thermal Field: Neo-3D printing by Manipulating Atomic Arrangement through Giant Potential Gradient |
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| Project/Area Number |
21H05199
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Transformative Research Areas, Section (II)
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| Research Institution | Japan Fine Ceramics Center |
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Principal Investigator |
木村 禎一 一般財団法人ファインセラミックスセンター, その他部局等, 主席研究員 (10333882)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
篠田 健太郎 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 研究グループ長 (10442732)
伊藤 暁彦 横浜国立大学, 大学院環境情報研究院, 准教授 (20451635)
吉川 健 大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (90435933)
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| Project Period (FY) |
2021-09-10 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥114,140,000 (Direct Cost: ¥87,800,000、Indirect Cost: ¥26,340,000)
Fiscal Year 2024: ¥23,270,000 (Direct Cost: ¥17,900,000、Indirect Cost: ¥5,370,000)
Fiscal Year 2023: ¥20,540,000 (Direct Cost: ¥15,800,000、Indirect Cost: ¥4,740,000)
Fiscal Year 2022: ¥20,540,000 (Direct Cost: ¥15,800,000、Indirect Cost: ¥4,740,000)
Fiscal Year 2021: ¥29,120,000 (Direct Cost: ¥22,400,000、Indirect Cost: ¥6,720,000)
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| Keywords | 超温度場プロセス / セラミックス / レーザー / 微構造観察 / 新材料創成 / 超温度場 / 結晶成長 / 気相析出 / パウダースプレー / プロセス科学 / 光と物質の相互作用 |
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| Outline of Research at the Start |
レーザーを加熱源とするセラミックス製造プロセスの確立を目指し、その基礎科学を構築する。特に、部材内部の微構造に由来する局所加熱や部材表面近傍の選択的加熱の結果生じる急峻な温度勾配（＝超温度場）を積極的に活用した「超温度場焼結」「超温度場コーティング」について検討を行う。実験データの蓄積によるプロセス現象の定性的理解、さらには、その場観察手法の開発によって、「セラミックス超温度場プロセス科学」を創生する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
「超温度場レーザー焼結」では前年度研究で開発したレーザー焼結助剤に関して、レーザー照射下での挙動、主相アルミナと助剤との反応生成相を明らかにし、緻密化および粒成長速度に関する知見を得た。「超温度場結晶成長モニタリング」では、レーザー集光加熱によるSiC結晶の微細構造成長の検討を進め、局所的な結晶成長ポテンシャルを有する微粒子分散溶媒とSiC種結晶の界面へのレーザー集光加熱を行うことによって基板上で10 µm幅のSiC成長層が得られることを明らかにし、レーザー応用液相プロセスによる微細構造成長の可能性を見出した。「超温度場CVD」では、気相からの固相析出過程に直接エネルギーを供給することで得られる高速エピタキシャル成長や特異構造コーティングの形成メカニズム解明を進めており、前年度研究においてYAG (Y3Al5O12)-Al2O3系およびLuAG (Lu3Al5O12)-Al2O3系で得られた知見を、他の希土類元素系にも展開し、GAP (GdAlO3)-Al2O3系ではロッド組織が優先的に生成することを明らかにした。YbAG (Yb3Al5O12)-Al2O3系において、従来法による溶融凝固体の育成を行い、両手法の組織比較を行った。「超温度場微粒子スプレー」では、超温度場を作り出す局所エネルギー源としてメゾプラズマを用い、メゾプラズマジェットが微粒子の速度及び温度に与える影響を検討した。超音速ノズルを導入することにより、粒子速度とプロセス場の温度を独立に制御することが可能となり、適切な条件を用いると0.5mm厚の膜が得られることを明らかにし、応力状態の最適化により。超温度場セラミック積層造形プロセスの可能性を示した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
「超温度場レーザー焼結」では、単一材料系の場合は固相焼結あるいは溶融凝固による緻密化が起こることをこれまで報告してきたが、従来得られているような“通常の”セラミックス焼結体を得るのは困難であると思われる。したがって、本年度研究では液相焼結に着目したレーザー焼結助剤の検討を進め、助剤添加系の発熱、緻密化メカニズムの解明に取り組んできた。一方、レーザー照射化では、炭化物、ホウ化物のような黒色の化合物を容易に2000℃以上の高温に加熱することができるため、レーザー加熱を用いた溶融凝固による共晶材料の作製に関しても検討を開始した。
「超温度場CVD」では、単相系においては、現在までにYAGやLuAG、YAP (YAlO3)といった希土類アルミニウム複酸化物系化合物の高速エピタキシャル成長や特異構造の気相析出を実証し、原著論文として公表した。またGAPやGAGといった希土類アルミニウム複酸化物に加え、Hf系複酸化物においても、従来の溶融凝固法で単結晶育成が困難であった化合物相の育成に成功し、論文投稿準備を進めている。一方、共晶系においては、YAG-Al2O3系およびLuAG-Al2O3における規則構造の形成を見出しており、研究成果を原著論文として公表した。さらに、本手法を他の希土類元素系 (GAP-Al2O3およびYbAG-Al2O3) にも展開して原理検証を行った。
「超温度場微粒子スプレー」では、異種基材上において重要となる応力状態を、超温度場を活用して如何に緩和しながら、高品質セラミックの積層が可能となるかその学理構築とともに検討を行っている。これまでに超音速ノズルによりメゾプラズマジェットを発生させることにより応力状態を適切に保ちながら、高品質皮膜を形成できる条件が明らかになってきた。さらに、得られた皮膜に紫外レーザーを照射することで、結晶化を促進できることがわかった。
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| Strategy for Future Research Activity |
「超温度場レーザー焼結」では、代表的なセラミックス材料に適用可能なレーザー焼結助剤の探索を継続するとともに、非酸化物系共晶材料のレーザープロセスの検討を本格的に開始する。非酸化物共晶材料では、本研究領域内で進められている金属系材料の解析技術、シミュレーション技術が有効に活用できると考えており、本材料系への展開を通じて領域内連携を加速する。
「超温度場結晶成長モニタリング」では、結晶成長フロントのその場観察技術をさらに高度化し、レーザー焼結中の過渡的現象の理解を進める。また、観察に適したモデル実験系の選定も進める。
「超温度場CVD」では、秩序構造の生成機序解明に向けてその場観察装置の開発と実証実験を進める。また本手法を他の希土類元素系 (例えばTbおよびEr) にも展開し、元素種が秩序構造の形成に与える影響を調べる。一方、領域内連携として計算科学的手法による自己組織化過程のシミュレーションを行う。成膜初期および成膜後の秩序構造と計算機で生成した構造を比較することで、秩序構造の生成機序に関する知見を得る。
「超温度場微粒子スプレー」では、微粒子スプレーで堆積した皮膜に対して、近赤外レーザーを用いてポストアニーリング的に高品質結晶化させることを狙っているが、最終的には、微粒子スプレー下においてその場で近赤外レーザーを照射することで、超温度場を形成し、セラミック直接積層造形を可能とする構成要件を明らかにしていく。さらに、超温度場における衝突時の応力が皮膜構造に与える影響を明らかにすることで、高品質セラミック積層の学理を構築する。
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