レーザードーピングで形成される不純物ドープ層を利用した水素ガスバリア機能の開発

• Project/Area Number: 21K04662
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 26030:Composite materials and interfaces-related
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 信太 祐二 北海道大学, 工学研究院, 助教 (80446450)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2023: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000); Fiscal Year 2022: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2021: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
• Keywords: レーザードーピング / ステンレス鋼 / 水素透過 / ガスバリア / 表面改質 / 水素ガスバリア / 不純物層

Outline of Research at the Start

本研究では，金属中の不純物ドープ層内で水素の動きが抑制されるというユニークな現象を利用し，薄膜コーティングに代わる新しい水素ガスバリア機能強化法の開発を目指す．不純物をドープする手法として液中レーザードーピングを用いる．対象とする材料として，水素容器材として広く使われているステンレス鋼を用いる．具体的には以下の2点を目的とする．
1. 水素ガスバリア機能が最も向上する液中レーザードーピングの最適条件の解明
2. ミクロな視点からのアプローチによる水素ガスバリア機能が向上する機構の解明

Outline of Annual Research Achievements

水素は金属を透過しやすいため金属製の水素貯蔵容器などからの水素透過・漏洩を抑制する機能，いわゆる水素ガスバリア機能の需要が高まっている。水素透過を抑制する技術としてセラミック膜などをコーティングする手法が主流になっているが，コーティング法はクラックや剥離などの潜在的な弱点が存在する。本研究では，炭素不純物が水素の移動を妨げる性質を利用し，水素容器として広く使用されているステンレス鋼の水素透過を低減させる手法の開発を目指している。この手法は金属そのものを水素が透過しづらい性質に変えることができ，コーティング法と組み合わせることができるというメリットもある。
本研究ではまず，エタノール中でステンレス鋼に対しNd-YAGレーザー（パルス幅～10ns，10Hz）を照射することで炭素のドープを試みた。レーザーのフルエンスを0.5-6J/cm2，照射時間1-6sと変化させて照射した。これらの試料に対し，炭素ドープ面を重水素ガスに400℃で曝し，高真空に保った反対側に透過した重水素を四重極質量分析器で検出することで重水素透過を測定した。レーザー照射時間を3sで固定しフルエンスを0.5-6J/cm2と変化させた場合，フルエンスが1J/cm2の場合にもっとも透過速度が減少した。また，フルエンスを1J/cm2に固定し照射時間を1-30sまで変化させた場合，照射時間が3sの場合に最も透過速度が減少した。ドープした炭素の深さ分布をグロー放電発光分析で調べたところ，照射時間3sの場合は1J/cm2の場合にドープ量が最も多く，フルエンス1J/cm2の場合は照射時間の増加とともにドープ量が多くなった。以上から，炭素のドープ量と透過速度の減少度合いは必ずしも正の相関があるわけではなく，適切なドープ量が存在することがわかった。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初の予定通り，様々なレーザー照射条件で炭素ドープしたステンレス鋼に対し重水素透過の変化を調べ，ドープした炭素の深さ分布についても評価することができた。これにより，炭素ドープ量と重水素透過の関係を明らかにすることができた。これに引き続き，重水素透過に対する炭素の影響を明らかにするため，ドープした炭素が加熱によりどの程度移動するのか，また，ステンレス鋼中の炭素はどのように存在しているのかについて分析をすでに進めている。
以上のことから，おおむね順調に進展していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

ここまでの実験により炭素のドープ量と重水素透過速度の関係については明らかになったが，ドープした炭素が重水素の透過にどのように寄与しているのかについてはまだ不明である。今後は，加熱中（重水素透過測定中）にドープした炭素がどの程度移動するのか，またどのように存在しているのかについて評価し，ドープした炭素が透過に与えるメカニズムの理解を深める予定である。