先進材料設計を指向した薄膜セラミックス被覆材の生成と強度に関する熱・力学的解析

1992 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 03452102
• Research Institution: KYOTO UNIVERSITY
• Principal Investigator: 井上 達雄 京都大学, 工学部, 教授 (10025950)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 今谷 勝次 京都工芸繊維大学, 工芸学部, 助教授 (70191898) ; 星出 敏彦 京都大学, 工学部, 助教授 (80135623)
• Keywords: セラミック被覆 / セラミック薄膜 / 内部応力 / 有限要素法 / 分子動力学法 / 爆発溶射 / スパッタ溶射 / 超微小硬度

Research Abstract

本年度は,まず高周波マグネトロンスパッタリング法を用いてアルミナ薄膜および炭化ケイ素薄膜をガラス基板上に形成し,薄膜の性状ならびに超微小ダイナミック硬度測定によってスパッタリング薄膜の機械的特性の評価を行った.いずれの薄膜もスパッタリング時間が長くなると,巨視的な膜面の性状は荒くなることがわかった.とくに,炭化ケイ素薄膜の場合には,高周波電源出力の大きくすると膜面に多数に気孔が形成されることがわかった.また,いずれの薄膜についても,高周波電源の出力が小さいほど硬度は高くなることが確認された.さらに,圧子の押し込み荷重が小さくなるにつれて,すなわち押し込み深さが小さくなるにつれて硬度は大きくなっていた.以上の結果から,スパッタリング薄膜の機械的特性はターゲット材を構成する物質によって決定されるではなく,主として成膜条件によって決定されることがわかった.なお,アルミナバルク材の硬度を測定した結果,基板の影響を受けない膜厚および押し込み荷重に対してはスパッタリング薄膜の方が硬度特性が向上することが判明した.
つぎに,分子動力学法を用いてスパッタリング薄膜の成膜過程の微視的構造を2次元的に解析する手法を提案した。これにより,スパッタリング薄膜における内部応力の評価を試みた.ここで,高周波電源を大きくするほどスパッタされる粒子クラスターが大きくなるという経験的事実に基づいて粒子径を変化させた解析を行った結果,膜の見かけの充填度は粒子径を大きくするほど小さくなり,高周波電源出力を大きくすると硬度が小さくなるという実験結果と一致する傾向が認められた.さらに,粒子径を大きくするほど膜面の高さの変動係数が大きくなることが認められた.これは,高周波電源出力を大きくすることによって膜面の性状が荒れることを意味し,一般に観察されている傾向に対応していた.

Research Products

• [Publications] Tatsuo INOUE: "Thermo-mechanical simulation of ceramic coating process" Proc.8th Int.Congr.on Heat Treatment of Materials. 345-348 (1992)
• [Publications] 星出 敏彦: "爆発溶射によるセラミック被膜の形成過程における温度場と応力場の解析" 日本機械学会論文集(A編). 58. 1869-1874 (1992)