2018 Fiscal Year Annual Research Report
Systematization of Adamant Thin Films and Fabrication of High-Functional Mechanical Coatings
| Project/Area Number |
16H02406
|
|---|
| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
|---|
Principal Investigator |
大竹 尚登 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 教授 (40213756)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
稗田 純子 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (40566717)
赤坂 大樹 東京工業大学, 工学院, 准教授 (80500983)
平田 祐樹 東京工業大学, 工学院, 助教 (90779068)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
|
| Keywords | 構造・機能材料 / 材料加工・処理 / 薄膜 / プラズマ加工 / アダマント |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
真空アーク蒸着法とマグネトロンスパッタリング法を重畳した物理気相成長法によりa-BCN膜を作製し，作製条件の変化が構造と機械的特性に及ぼす影響を明らかにして三元図上に体系化することを目的とし，以下の知見を得た。１．真空アーク蒸着法によりa-C膜を作製するとき，アーク放電電圧およびコンデンサ静電容量の作製条件の変化は機械的特性に大きな影響を及ぼさない。２．マグネトロンスパッタリング法によりa-BN膜を作製するとき，窒素ガス流量を増加させると膜中の窒素含有量が増加するが，硬さと耐摩耗性が低下する。一方，基板温度を340°C以上とすると表面拡散が促進され，h-BN構造が形成されやすくなる。３．真空アーク蒸着法とマグネトロンスパッタリング法を重畳してa-BCN膜を作製するとき，窒素ガス流量を増加させると膜中のホウ素および窒素含有量が増加するが，硬さと耐摩耗性が低下する。また，基板温度が250°C以上で膜を作製すると耐熱性が向上する。
さらに，プラズマCVDによる金属円管内へのアダマント薄膜の成膜と機械的特性評価を行った。自動車部品であるサスペンションに用いられるシリンダーなどへの耐摩耗性を備えたコーティングの需要は高く，アダマント薄膜の一種であるDLC膜を円管内面へコーティングする技術の研究が進んでいる。そこでナノパルスプラズマCVDを用いて，膜の均一性や密着性を向上させることを目的として，内径40 mm，長さ300 mmの高アスペクト比を有する金属円管内面へのDLC成膜を行い，膜の構造，機械的特性の評価を行った。その結果，ナノパルスプラズマを用いることで，従来の25～100倍程度に相当する100～500Paの圧力でほぼ均一にDLC膜をコーティング出来る事を示した。この際の原料ガス（メタン）からDLCへの変換率は最大で60%を超え，極めて高いことが明らかになった。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
ホウ素・炭素・窒素からなるアダマント薄膜をPVD法で作製し，三元図上への体系化を進めるとともに，新たに円管内面へのアダマント薄膜のコーティングに成功していることから，当初の計画以上に進展していると判断した。詳細を以下に述べる。
１．本研究により開発した物理気相成長装置で作製したBCN膜を，ホウ素・炭素・窒素の三元図上に示すことが出来た。BCN膜について組成比により計34点のプロットを行った。窒素流量比の増加にしたがって，膜中のホウ素および窒素の含有量は一定のB:N比を保ったまま増加した。それと同時に炭素の含有量は減少したが，膜中のC=N結合およびC≡N結合は増加する傾向にあった。真空アーク蒸着法とスパッタリング法を重畳した本手法では，スパッタリング法による持続的なプラズマの中を真空アーク蒸着法により放出された高エネルギーのイオンが基板に向けて飛行する。スパッタリングガスとしてArに加えて窒素を導入すると，炭素イオンは飛行時に窒素イオン・ラジカルと衝突・反応し，膜中で炭素と窒素の結合を形成していると考えられる。
２．ナノパルスプラズマCVD法により，内径40 mm，長さ300 mmの高アスペクト比を有する金属円管内面にDLC成膜出来ることを示した。ナノパルス放電では次の放電までの間に前放電での活性種が多く残存する圧力下ではパルス周波数の増加に対して成膜速度が向上する。周波数4 kHzと12 kHzで500 Paの圧力下で円管内面のプラズマの発光分光分析を行った結果12 kHzのほうがより電子温度が高かった。本研究では最大で520 Paの圧力下で成膜を行っているため，前回の放電での活性種が残存している。その理由として励起種の寿命はns～μsであるが，Arの準安定状態は2 ns (31P1)～60 s (33P2)と長くペニング効果により原料ガスの解離が促進されていると考えられる。
|
| Strategy for Future Research Activity |
本研究は，アダマント薄膜を体系化し超高機能メカニカルコーティングを実現することを目的とするものである。ホウ素，炭素，窒素の共有結合からなるアダマント材料は高い機械的特性を有し，未来のコーティング材料としての期待が大きい。本研究は，アダマント膜の機能と構造との関係を明らかにしながら薄膜材料として体系化し，超耐摩耗性と透明性・防汚性を合わせ持つ理想のメカニカルコーティングを実現する。
物理気相成長法によるアダマント膜について，昨年度に続き今年度にBCN三元図上への機械的特性のプロットを大きく追加出来た（計34プロット）ことで，アダマント薄膜の学術的体系化を進めることが出来た。その中で，研究当初にわかっておらず，かつ興味深いのは，B及びNが少量添加されたCベースのアダマント膜が良好な特性を示すことである。B及びNが多量に導入されたBCN膜は，報告にも述べたように硬さと耐摩耗性がC100%の場合と比較して大きく低下する。そこで，BとNを3at.%以下導入したアダマント膜について，組成と機械的特性の関係を詳細に調べることで，超高機能メカニカルコーティングを実現する。また，sp2/（sp2＋sp3）比について，既に検討を行っているが多成分系のため測定値の信頼性が十分でなく，引き続きNEXAFSによる精密な測定を行うことで，アダマント膜の学術的体系化を推進していく。さらに，雑菌の着がアダマント膜の構造によりどのように変化するかについて検討を行う。また，今年度成膜に成功した円管内へのアダマント薄膜コーティングについては，プラズマの計測と解析を進め，高圧力で，高変換率で薄膜が形成出来る学術的背景を明らかにしていく。昨年度に成膜を始めることが出来た化学気相成長法によるアダマント膜については，基板温度を変化させることで，水素量を減少させ，硬さ等の膜特性と水素量との関係を明らかにする。
|
