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Solid phase film formation of polymer/ceramic compound particles by hetero-structure control and comprehensive analysis of film formation mechanisms

Research Project

Project/Area Number 17H01235
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Research Field Materials/Mechanics of materials
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

小川 和洋  東北大学, 工学研究科, 教授 (50312616)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 鈴木 研  東北大学, 工学研究科, 准教授 (40396461)
CAVAILLE JY  東北大学, 高等研究機構等, 客員教授 (40794623)
市川 裕士  東北大学, 工学研究科, 准教授 (80451540)
Project Period (FY) 2017-04-01 – 2020-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2019)
Budget Amount *help
¥44,720,000 (Direct Cost: ¥34,400,000、Indirect Cost: ¥10,320,000)
Fiscal Year 2019: ¥9,360,000 (Direct Cost: ¥7,200,000、Indirect Cost: ¥2,160,000)
Fiscal Year 2018: ¥14,170,000 (Direct Cost: ¥10,900,000、Indirect Cost: ¥3,270,000)
Fiscal Year 2017: ¥21,190,000 (Direct Cost: ¥16,300,000、Indirect Cost: ¥4,890,000)
Keywordsコールドスプレー / ポリマー / セラミックス / ヘテロ構造制御 / 超高分子量ポリエチレン / ナノセラミックス / 成膜メカニズム / 複合粒子 / フッ素系樹脂 / 成膜 / ヘテロ構造
Outline of Annual Research Achievements

代表者らのこれまでの検討から,ポリマー材料の中でも射出成形が困難な超高分子量ポリエチレン(UHMWPE)をコールドスプレー(CS)法と呼ばれる固相成膜技術により,粒子を溶融させることなく数mm厚さの成膜に世界で初めて成功させてきた.これはUHMWPE粒子単独では成膜が困難であり,異種材料であるナノセラミックス粒子との組み合わせによるヘテロ構造により成し得たものである.しかし,その成膜メカニズムは不明であり,信頼性の高い,高品位な皮膜を得るためにはメカニズムの解明が急務の課題である.そこで,微視的・巨視的な観点から実験および数値解析により,総合的に粒子付着挙動を解析し,ポリマー/セラミック複合粒子成膜のメカニズムを明らかにし,ポリマー/セラミック複合粒子成膜ならびに造形に対する学術基盤の構築を図り,汎用性のある工学技術の確立を目的とし,研究を進めている.今年度は,フッ素系樹脂の成膜を目的に,2種類のフッ素系樹脂(FEP, PFA)を用意し,CS法による成膜とその成膜効率の向上を検討した.フッ素系樹脂のみでもスプレー条件の最適化により成膜は可能であったが,成膜効率は約1%と低い傾向を示した.ナノセラミックスとして,アルミナを選択し混合粉を作製し,成膜した結果,約5%まで効率を向上させることに成功した.さらに,新たなアイディアとして,基材表面へレーザーによる溝加工を施したところ,成膜効率は約15%まで向上させることができた.ナノアルミナの添加による成膜効率の向上は,分子動力学による解析結果から,粒子表面に存在した水酸基が水素結合を促したためと考えられる.また,レーザーによる溝加工が有限要素解析の結果から,フッ素系樹脂の変形を助長し,粒子間での結合が向上したためと考えられる.得られたフッ素系樹脂皮膜は,顕著な撥水特性を有することを確認した.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

今年度は,超高分子量ポリエチレンのみでなく,フッ素系樹脂に関してもナノセラミック粒子との混合粉を用いることで成膜に成功している.得られた皮膜は,顕著に優れた撥水特性を有し,耐食・耐摩耗コーティングとしての応用も考えられる.また,レーザーを用いた金属基材表面の溝加工を施し,機械的にポリマー粒子の変形を促進させることで,成膜効率をフラットな面にナノセラミック粒子を低下していない場合と比べ,15倍程度向上させることに成功した.また,分子動力学を用いた解析により,ナノセラミック粒子との混合により,成膜性が向上するメカニズムを検討しており,ナノセラミック粒子表面に水酸基を有する場合に,水素結合を起こしやすくなることを明らかにし,成膜性が向上する可能性を見いだした.さらに,有限要素解析を実施し,レーザーによる溝加工による粒子の変形が粒子間結合力の向上に寄与し,成膜効率を向上させたことを理解できた.また,最適な溝形状に関する情報も有限要素解析から得ることができ,次年度以降,実験と解析により,さらなる成膜効率の向上を実施していく.

Strategy for Future Research Activity

最終年度である次年度は,今年度の研究成果から,水酸基を有するナノアルミナ粒子の混合およびレーザーによる溝加工は成膜効率の向上に顕著な効果があることが明らかとなったことから,更なる成膜効率の向上を目指す.しかし,金属基材上へのポリマー成膜は,成膜効率は向上したものの,まだ密着強度が十分とは言えない.そこで,今後の研究として,ポリマー/金属界面強度を機械的・化学的・物理的な観点から改善していく.機械的な界面強度改善に関しては,レーザー溝加工の溝形状の最適化を実験および有限要素解析から行い,化学的な改善に関しては,水酸基を含めたナノセラミック粒子の修飾効果を検討していく.さらに,物理的な改善として,レーザーやプラズマを利用した基材および粒子表面の活性化を図る.また,今年度の分子動力学解析から,セラミック粒子を用いたポリマー粒子の成膜性向上には,水酸基が有効であり,水分子の利用に可能性があることが示唆されている.そこで,実験においてもコールドスプレーによる粒子送球時に水蒸気を混合させることで成膜性ならびに密着性向上の可能性があるか否かを明らかにしていく.また,実験および解析から得られた結果を総合的に評価し,ポリマー/セラミック複合粒子成膜ならびに造形に対する学術基盤の構築を図り,汎用性のある工学技術の確立を目指す.

Report

(2 results)
  • 2018 Annual Research Report
  • 2017 Annual Research Report

Research Products

(19 results)

All 2019 2018 2017 Other

All Int'l Joint Research Journal Article Presentation Book

  • [Int'l Joint Research] INSA-Lyon(フランス)

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  • [Journal Article] Elucidation of cold-spray deposition mechanism by auger electron spectroscopic evaluation of bonding interface oxide film2019

    • Author(s)
      Ichikawa Yuji、Tokoro Ryotaro、Tanno Masatoshi、Ogawa Kazuhiro
    • Journal Title

      Acta Materialia

      Volume: 164 Pages: 39-49

    • DOI

      10.1016/j.actamat.2018.09.041

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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Understanding deposition mechanism in cold sprayed ultra high molecular weight polyethylene coatings on metals by isolated particle deposition method2018

    • Author(s)
      Kesavan Ravi, Tiana Deplancke, Kazuhiro Ogawa, Jean-Yves Cavaille, Olivier Lame
    • Journal Title

      Additive Manufacturing

      Volume: 21 Pages: 191-200

    • DOI

      10.1016/j.addma.2018.02.022

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  • [Journal Article] コールドスプレー法によるポリマー皮膜におけるマイクロ・ナノ接合2017

    • Author(s)
      小川和洋
    • Journal Title

      Journal of the Vacuum Society of Japan

      Volume: 60 Pages: 187-192

    • NAID

      130005118503

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Nano-ceramic particle effect on Flourinated Ethylene Propylene (FEP) coating using Low Pressure Cold Spray2019

    • Author(s)
      LOCK SULENWESLEY ANAK, Kazuhiro Ogawa, Yuji Ichikawa, Kesavan Ravi
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      未踏科学技術協会 第28回インテリジェント・ナノ材料シンポジウム
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      Kazuhiro Ogawa
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      THERMEC 2018
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  • [Presentation] Thermomechanical modelling of cold-spray process: Application to Ultra-High Molecular Polyethylene2018

    • Author(s)
      C.A. Bernard, K. Ogawa, J.-Y. Cavaille, O. Lame, K. Ravi, T. Deplancke
    • Organizer
      International Thermal Spray Conference ITSC2018
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  • [Presentation] Investigation of the Flow Field Dynamics during Polymer Coating by Cold-Spray2018

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      C.A. Bernard, H. Takana, K. Ravi, O. Lame, K. Ogawa, J.-Y. Cavaille
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      ICFD2018
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  • [Presentation] High Strain Rate Sensitivity of Ultra-High Molecular Weight Polyethylene and its Consequence on Cold-Spray Deposition Behavior2018

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      Kesavan Ravi, Kazuhiro Ogawa, Tiana Deplancke, Olivier Lame, Jean-Yves Cavaille
    • Organizer
      International Thermal Spray Conference ITSC2018
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  • [Presentation] レーザーテクスチャリング処理による コールドスプレー皮膜の成膜効率改善2018

    • Author(s)
      高思源,市川裕士,小川和洋
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      S.Zhou, B.Chrystelle, K.Ravi, Y.Ichikawa, K.Ogawa
    • Organizer
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  • [Presentation] Development of High Functional Polymer Metal Integrated Systems2018

    • Author(s)
      Wesley Anak Lock Sulen, Siyuan Gao, Kesavan Ravi, Kazuhiro Ogawa
    • Organizer
      The 15th Challenge Cup National Undergraduate Extracurricular Academic Science and Technology Contest、The Belt and Road International Special Event Contest of CEFC CHINA ENERGY COMPANY LIMITED
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] コールドスプレー法を利用した高耐熱高分子皮膜の開発2018

    • Author(s)
      高橋 迪大,市川 裕士,小川和洋
    • Organizer
      日本機械学会東北学生会 第48回学生員卒業研究発表講演会
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  • [Presentation] Thermomechanical modelling of High Molecular Weight semi-crystalline polymers2018

    • Author(s)
      C. A. Bernard, T. Deplancke, O. Lame, K. Ogawa, J.-Y. Cavaille
    • Organizer
      ELyT Workshop 2018
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Inter-Particle Sintering of UHMWPE-FNA Nano-Composites Under Different Interfacial Loading Conditions2017

    • Author(s)
      Kesavan Ravi, Olivier Lame, Kazuhiro Ogawa, Jean-Yves Cavaille, Tiana Deplancke, Chrystelle Bernard
    • Organizer
      Fourth International Symposium on Smart Layered Materials and Structures for Energy Saving
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Molecular Simulation Analysis for Adhesion Mechanisms Involved in Polyethylene Processed by Cold Spray2017

    • Author(s)
      Yukie Ishizawa, Kenji Inaba, Ryuji Miura, Ai Suzuki, Naoto Miyamoto, Nozomu Hatakeyama, Akira Miyamoto , Kazuhiro Ogawa, Chrystelle Bernard, Jean-Yves Cavaille, Olivier Lame, Kesavan Ravi
    • Organizer
      Fourth International Symposium on Smart Layered Materials and Structures for Energy Saving
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    • Int'l Joint Research
  • [Book] 多次元アディティブ・マニュファクチャリング2018

    • Author(s)
      小川和洋,他
    • Total Pages
      188
    • Publisher
      日本溶接協会
    • ISBN
      9784907200084
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  • [Book] 多次元アディティブ・マニュファクチャリング2018

    • Author(s)
      小川和洋 他13名
    • Total Pages
      188
    • Publisher
      日本溶接協会
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      2017 Annual Research Report

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Published: 2017-04-28   Modified: 2019-12-27  

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