2021 Fiscal Year Annual Research Report
Science for Creation of Ceramic Materials by Super Thermal Field
| 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 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, 主任研究員 (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 東京大学, 生産技術研究所, 准教授 (90435933)
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| Project Period (FY) |
2021-09-10 – 2026-03-31
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| Keywords | セラミックス / 超温度場 / レーザー / プロセス科学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
研究では、超温度場を用いた新たなセラミックス製造プロセスの創出を目指す。特に、レーザーによって生じる特異な高エネルギー場を活用した、1）バルクセラミックスの短時間焼結の開発とそのメカニズムの解明、2）気相からの共晶系セラミックス複合材料の作製、3）異種基材界面の応力を制御可能な微粒子スプレーコーティング技術、の3つの新プロセス技術開発を通じて、新奇なプロセス現象の解明とその学理構築を進める。超温度場レーザー焼結では、レーザー照射下におけるアルミナ圧粉成形体の焼結挙動について、予熱方法の違いによる焼結収縮の異方性、初期粒径およびレーザー密度による粒成長挙動の変化などの基礎的焼結挙動を把握するとともに、レーザー焼結のメカニズム解明のために、成形体の光吸収特性の特徴を明らかにした。また、レーザー焼結挙動のその場観察のため、レーザー照射下での雰囲気制御チャンバー内に設置した試料の温度分布および微細組織観察が可能な光学系を開発した。超温度場化学気相析出 (CVD) では、アルミナ-YAG系材料での気相からのナノ共晶構造の自己組織化において、結晶成長や組織形成の経時変化のその場観察を行うためのレーザー光源や真空チャンバー、顕微鏡観察系の装置設計や導入を進めた。超温度場微粒子スプレーでは、プラズマよりも局所エネルギー密度が高く、粒子衝突速度など他のプロセス条件を固定したままエネルギー制御が可能なレーザーを用いた製膜システム構築に向けて、最適レーザーの検討を行った。
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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
2021年度研究は、装置導入および導入した装置を用いた初期検討が順調に進捗した。
超温度場レーザー焼結では、上記成果に加えて、カーボン層塗布とカーボン粒子混合による予熱時の温度分布の違いにより焼結収縮挙動が異なり、カーボン層塗布試料ではレーザー照射方向（試料厚み方向）への収縮が顕著な異方収縮が進行し、カーボン混合試料では等方的な収縮が進行することを明らかにするなど、レーザー焼結特有の現象を明らかにしつつある。
超温度場結晶成長モニタリングでは、レーザー照射（レーザー装置は2023年度に繰り越し導入）下でのその場観察により、レーザー照射位置を移動させると、カーボンを塗布していない部分まで溶融池が追従することを確認しており、レーザー走査によって任意形状の緻密アルミナ部を形成できる可能性を明らかにした。
超温度場CVDでは、アルミナ-YAG系を中心に、イットリア／ルテチア系やハフニア系におけるナノ共晶構造の自己組織化についても合成実験を進めた。アルミナ-YAG系、アルミナ-LuAG系、アルミナ-GAP系においては、ナノ共晶構造の生成を確認した。
超温度場微粒子スプレーでは、予備検討の結果、最大1 kW程度のレーザー導入が必要であることがわかり、1 kWのファイバーレーザーを新規に導入した。導入したレーザーを用いて予備的照射試験を行い、現有の製膜装置への導入のために必要な光学照射システムを設計した。
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| Strategy for Future Research Activity |
超温度場レーザー焼結では、超温度場結晶成長モニタリングの結果を利用して、レーザー照射下での試料内部の温度分布を把握するための有限要素法シミュレーションを実施するとともに、Monte Carlo法と有限要素法を用いたレーザー焼結シミュレーションの開発に着手する。
超温度場結晶成長モニタリングでは、これまでのレーザーを10-20 μmのスポット径に集光した際のその場観察に加えて、反応機構の解明を目的として、より大面積に均一なレーザー照射を可能とするための装置改良を行い、レーザー照射下の温度場計測を行う。
超温度場CVDでは、光学顕微鏡および走査電子顕微鏡を用いたその場観察系を立ち上げ、組織形成のその場観察に関する実験的データを行う。
超温度場微粒子スプレーでは、現有装置へのレーザー導入に必要な光学照射システムの高度化を行い、基礎データの収集に早期に着手する。
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