2014 Fiscal Year Annual Research Report
| Project Area | Exploration of nanostructure-property relationships for materials innovation |
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| Project/Area Number |
25106008
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| Research Institution | Japan Fine Ceramics Center |
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Principal Investigator |
北岡 諭 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, その他 (80416198)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
森分 博紀 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, その他 (40450853)
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| Project Period (FY) |
2013-06-28 – 2018-03-31
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| Keywords | 酸化アルミニウム / 粒界 / 拡散 / 酸化チタン / 生体活性 / 帯電 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、領域内連携や共同研究により獲得される材料のナノ構造情報に基づく設計指針を、以下の酸化物セラミックスの表面耐性において具現化・実証することで、革新的な耐環境性セラミックス材料を創製する。本年度に実施した内容は以下の通りである。
(1)保護膜性能：ガスタービン等の遮熱コーティング部材に使用される耐熱合金上に形成する酸化アルミニウム膜（酸化保護機能）に着目した。酸素や水蒸気トレーサーを用いた高温ガス透過試験法により、酸化アルミニウム膜を介した物質移動機構を評価・解析した。その結果、i)高酸素分圧側表面近傍は“電子的伝導性” を有すること、ii)酸素ポテンシャル勾配の印加により酸素の粒界拡散が抑制されること、iii)酸素の粒界拡散は、高酸素分圧側雰囲気中のH2Oにより促進され、反対にD2Oにより抑制されること等 がわかった。
(2)生体活性能：チタンの酸窒化処理により生成した酸化チタンスケールが優れた生体活性能を発現する現象を解明するために、領域内連携により、スケール断面の構造をTEM-EELS－第一原理計算により詳細に解析した。その結果、生体親和性に優れるスケールの表面近傍に存在するNは、Oサイトを2個のNで置換した状態で存在し、+2の有効電荷を有することがわかった。このことがスケール表面を＋に帯電させ、優れた生体活性を発現させることに関与しているものと推察された。
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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
(1)保護膜性能：酸素や水蒸気トレーサーを用いた高温ガス透過試験法により、酸化保護膜機能の本質に迫る多くの重要な知見を得ることができた。特に、酸素ポテンシャル勾配の印加により酸素の拡散挙動が影響を受けることは、酸素ポテンシャル勾配無しの“自己拡散データ”を基にした保護膜設計が不適であることを意味する。言い換えれば、実際の保護膜の曝露環境を模擬した高温ガス透過データに基づく保護膜設計こそが、耐環境遮蔽性の向上に有効であると言える。
(2)生体活性能：酸化スケール表面近傍の窒素の存在状態が明らかになり、スケール表面が＋に帯電することの原因になりうることを示唆した。
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| Strategy for Future Research Activity |
(1)保護膜性能：酸化アルミニウム膜を高温の酸素ポテンシャル勾配下に曝した際に、高酸素分圧側表面近傍は電子的伝導性を示すが、膜の内深部も同じ伝導状態にあるのかを明らかにする。また、膜の粒界を介した物質移動に及ぼすH2O／D2Oの影響について、その作用機構を解明すると共に、これらの物質移動に及ぼす粒界偏析ドーパントの影響についても評価・解析する。そして、これらの知見を基に、保護膜の環境遮蔽性と構造安定性の向上に関する指針を示す。
(2)生体活性能：純チタンの酸窒化により形成するスケール表面が＋に帯電する機構を明らかにし、生体活性能のさらなる向上等に関する指針を示す。また、同様の酸窒化を現用ステムのTi合金に展開し、酸窒化処理の有効性を検証する。
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