2018 Fiscal Year Annual Research Report
Fabrication of fluidic ceramics with supercritical fluid technology toward dynamic thermal management
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16H06367
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
阿尻 雅文 東北大学, 材料科学高等研究所, 教授 (60182995)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
高見 誠一 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (40311550)
笘居 高明 東北大学, 多元物質科学研究所, 准教授 (80583351)
横 哲 東北大学, 材料科学高等研究所, 助教 (80807339)
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| Project Period (FY) |
2016-05-31 – 2021-03-31
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| Keywords | 薄膜・微粒子形成操作 / 粉流体操作 / 高分子成形加工操作 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、超臨界水熱法で合成した有機修飾ナノ粒子を利用した、超高濃度セラミクスナノ粒子分散体、“フルイディックセラミクス”を設計する合理的材料設計基盤の構築を目的とする。本年度の研究においては主に、ナノ粒子の分散凝集予測に関する新たな提案と、無機材料コーティングによる表面物性制御のためのコアーシェル型金属酸化物ナノ粒子合成プロセスの設計手法の構築を行った。
１）有機修飾ナノ粒子の分散凝集予測について、溶解度パラメータの利用が工学的に有効が方策であることはすでに示したが、本年度の研究において、様々な酸化物ナノ粒子の有機修飾を行い、溶媒への分散性を評価したところ、溶媒と直接接触する有機修飾分子だけでなく、酸化物ナノ粒子コアも分散性に影響を与えることが示唆された。そこで、酸化物ナノ粒子コアの凝集エネルギー、体積と表面有機修飾分子の凝集エネルギー、体積の双方を加味した、有機修飾ナノ粒子の溶解度パラメータ導出法を提案した。
また、溶解度パラメータに加えて、溶媒分子サイズも有機修飾ナノ粒子の分散性に影響を与えることを実験的に明らかとし、表面有機修飾層に取り込まれた溶媒分子も有機修飾ナノ粒子の分散性に影響を与えることを示唆した。さらに、その考えに基づく有機修飾ナノ粒子の分散性改善法を提案、実証できた。
２）粒子表面の特性を制御する手法として異種セラミックス材料の水熱コーティングの体系化を行った。モデル物質としてニッケル粒子コアを用いて、酸化チタンやチタン酸バリウムなどのセラミックス材料により表面をコーティングする手法開発を行った。水熱環境の温度および原料濃度を大きく変化させることにより、過飽和度を制御し、さらにコア粒子の濃度を変えることで、不均一反応が支配的になり、コア粒子表面で選択的にセラミックス層が生成する条件を明らかにした。
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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
始めに設定した１）ナノ素材設計手法の確立、２）分散凝集（相平衡）推算法（設計）の確立、３）凝集（相分離）構造の評価法（規則構造抽出）の開発、４）革新的「熱制御」材料創製、に関する研究を順調に遂行している。
１）ナノ素材設計手法の確立においては、すでに超臨界反応の高精度解析や修飾鎖の直接観察を達成しており、有機修飾が無機ナノ粒子そのものの材料特性に与える影響に関しても評価が進められている。加えて、無機材料コーティングによる表面物性制御にも展開していることから、当初の計画以上に進展していると判断される。
２）分散凝集推算法の確立においては、従来分子の溶解に用いられてきた関係式や溶解度パラメータに基づく方法論を、粒子を分子と見立てることでナノ粒子-溶媒系の分散挙動に対して適応できることを示すとともに、有機修飾ナノ粒子の溶解度パラメータ導出モデルや、表面有機修飾層の溶媒分子取り込み基づく新たな有機修飾ナノ粒子の分散性改善法を提案できている。計画通りに化工熱力学に基づくナノ粒子系相平衡の推算基盤が形成されつつある。
３）凝集構造の評価法の開発においては、ナノ粒子の凝集構造と流動性の相関を実験的に明らかとし、計算科学（SNAP－DEM）によるその表現にも成功している。さらに分散凝集挙動が粘度に及ぼす影響を評価するための数学的表現基盤も整えられた。当初の計画以上に進展していると判断される。
４）革新的「熱制御」材料創製に関しては、計画通りに上記の設計基盤を元に熱伝導材料であるBNの高効率有機修飾を実現している。さらにコンビナトリアル連続式超臨界水熱合成装置による高速材料探索基盤も確立できており、今後熱制御材料創製が加速することが期待される。
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| Strategy for Future Research Activity |
１）ナノ素材設計手法の確立：計算化学と実験の双方から、有機修飾機構を解明することで有機修飾を自在設計（制御）する基盤を確立する。
２）分散凝集（相平衡）推算法（設計）の確立：化工熱力学に基づくナノ粒子系相平衡の推算基盤を確立し、さらに、上記有機修飾設計と連動させ、任意溶媒への分散を可能とする有機修飾ナノ粒子の合成プロセス設計指針を構築する。
３）凝集（相分離）構造の評価法（規則構造抽出）の開発：ナノ粒子を擬似分子と捉える新科学の視点から、拡散係数、熱伝導度、粘度等の諸物性にナノ粒子の分子性が与える影響を実験的に評価する。さらに計算による粘性起源解析を行い、均相系での流動性の機構解明を図る。
４）革新的「熱制御」材料創製：高分子内ナノ粒子分散・凝集構造による機能発現を体系化し、目的とする熱遮蔽、熱伝導材料の構造最適化を行う。
以上によりフルイディックセラミクスの生成原理の解明し、その設計法を確立する。それに基づき、流動性と熱制御機能とを同時達成する高性能「熱制御」材料を創製する。
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