2017 Fiscal Year Annual Research Report
Solid phase film formation of polymer/ceramic compound particles by hetero-structure control and comprehensive analysis of film formation mechanisms
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17H01235
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
小川 和洋 東北大学, 工学研究科, 教授 (50312616)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
鈴木 研 東北大学, 工学研究科, 准教授 (40396461)
CAVAILLE JY 東北大学, 高等研究機構等, 客員教授 (40794623)
市川 裕士 東北大学, 工学研究科, 助教 (80451540)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | コールドスプレー / 超高分子量ポリエチレン / ナノセラミックス / 成膜メカニズム / 複合粒子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
代表者らのこれまでの検討から，ポリマー材料の中でも射出成形が困難な超高分子量ポリエチレン(UHMWPE)をコールドスプレー法と呼ばれる成膜技術により，粒子を溶融させることなく固相のままで数mm厚さの成膜に世界で初めて成功させてきた．これはUHMWPE粒子単独では成膜が困難であり，異種材料であるナノセラミックス粒子との組み合わせによるヘテロ構造により成し得たものである．しかし，その成膜メカニズムは不明であり，信頼性の高い，高品位な皮膜を得るためにはメカニズムの解明が急務の課題である．そこで，微視的・巨視的な観点から実験および数値解析により，総合的に粒子付着挙動を解析し，ポリマー／セラミック複合粒子成膜のメカニズムを明らかにし，ポリマー／セラミック複合粒子成膜ならびに造形に対する学術基盤の構築を図り，汎用性のある工学技術の確立を目的とし，研究を進めてきた．今年度は，これまでに実績があるUHMWPE／ナノアルミナの複合粒子に関し，スプレー条件，基材種による成膜の可否・接合強度，合成量等の評価を行い，工業的な利用を考慮したスプレー条件変化による成膜条件マップを構築できた．
また，スプレー条件を変化させた場合のコールドスプレー法による粒子の緻密さを想定し，UHMWPEとナノアルミナを混合させた焼結度合いの異なるバルク材を作製し，ナノセラミック粒子がUHMWPE粒子付着に及ぼす効果解明の足がかりを得た．
一方で，粒子間強度，粒子／基材間強度を評価可能な数ミクロンオーダーの超微小引張試験法の確立も進めており，金属粒子に関しては，評価可能なレベルまで技術を確立できた．
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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
今年度は，UHMWPE／ナノアルミナ複合粒子に関し，スプレー条件を変化させた場合の成膜の可否・接合強度，合成量等の評価を行い，工業的な利用を考慮したスプレー条件変化による成膜条件マップを構築することができた．また，UHMWPE粒子付着に及ぼすナノセラミックス粒子の効果をUHMWPEとナノアルミナを混合させ，ナノアルミナ量を変化させたいくつかのバルク材を作製し，機械的特性，破面観察等から評価を行い，ナノセラミックス粒子の効果を把握することができた．さらに，数十ミクロンの粒子同士の接合強度，粒子／基材間の強度を評価可能な数ミクロンオーダーの試験片を用いた超微小引張試験法確立のため，金属粒子を用いた超微小引張試験を成功させた．今後はこれをUHMWPEで評価を進める．
数値解析に関しても，UHMWPEとナノアルミナを考慮したモデルを構築し，粒子変形挙動のシミュレーションに概ね成功している．分子動力学に基づく，UHMWPE／ナノアルミナ間の挙動に関しても現在，検討を進めており，少しずつではあるが結果が出始めている．
以上のように，今年度の成果は概ね順調で有り，UHMWPEとナノアルミナを混合させたバルク材の評価に関しては予定よりも進んでいる．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究に関しては，以下の項目について推進していく．
1)ナノセラミック粒子の効果検討：UHMWPEにナノアルミナを加えたバルク材の評価から，ナノセラミック粒子の効果がある程度わかってきた．次のステップとして，セラミック粒子の種類，径，形状等に関してその効果を評価し，最適な粒子材料を開発する．
2)ナノセラミック粒子帯電の効果検討：これまでの検討において，正に帯電していると考えられるナノアルミナを用いた場合には，アルミ基材ならびにポリプロピレン基材上に，数mmの厚さで成膜することに成功した．しかし，負に帯電しているナノシリカを用いた場合，ポリプロピレン基材上には成膜できたもののアルミ基材上には成膜できなかった．この結果から，ナノセラミック粒子の帯電状態がUHMWPE粒子成膜に大きく影響を与えていることが考えられる．そこで，低温プラズマ装置を導入し，ナノセラミック粒子を帯電させ，帯電の大小によって（あるいは正負の違い）成膜性に与える影響を評価し，帯電の効果を明らかにする．
3)他のポリマー材料の可能性検討：本研究の予備実験において，UHMWPE粒子以外のポリマー材料は成膜が困難であり，同じ基材を用いても成膜性が異なることがわかっている．そこで，基材種と成膜性の違いを基材の化学組成・構造，あるいは機械的特性の観点から評価を行う．
4)皮膜特性評価：金属粒子において目処が立った超微小引張試験をUHMWPE粒子の評価に応用可能であるかを検討し，定量的な粒子間強度を評価する．
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[Presentation] Molecular Simulation Analysis for Adhesion Mechanisms Involved in Polyethylene Processed by Cold Spray2017
Author(s)
Yukie Ishizawa, Kenji Inaba, Ryuji Miura, Ai Suzuki, Naoto Miyamoto, Nozomu Hatakeyama, Akira Miyamoto , Kazuhiro Ogawa, Chrystelle Bernard, Jean-Yves Cavaille, Olivier Lame, Kesavan Ravi
Organizer
Fourth International Symposium on Smart Layered Materials and Structures for Energy Saving
Int'l Joint Research
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