2019 Fiscal Year Research-status Report
小型プラズマ反応溶射装置による宇宙航空部材への環境適応型光触媒膜の作製
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17K06944
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
小林 明 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 客員研究員 (70110773)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
安藤 康高 足利大学, 工学部, 教授 (60306107)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | プラズマ反応溶射 / ガストンネル型 / 低電力 / 複合機能材料 / 航空宇宙用軽量部材 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、昨年度に引き続き、3 kW級ガストンネル型プラズマ溶射装置を用いて高機能Ti/TiN/TiO2コーティングを作製する実験を行った。この場合、ノズル電極の内径は8 mmであり、プラズマ入力2 kW（電流48 A、電圧47 V）、溶射距離40 mmにおいて、窒素雰囲気中で5 g/min のTi粉末を溶射し、10秒の短時間に膜厚200ミクロン程度のTi複合コーティングを作製した。そのコーティングの組成は、X線回折装置によりその化学組成・構造を詳細に検討した。ガストンネル型プラズマ溶射プロセスにおいては、酸化によるTiO2の形成に加えて、Tiと窒素の反応によるTiNの形成が再確認された。これらの結果については、令和元年9月山梨県甲府市で開催された第12回プラズマ応用科学国際シンポジウム：ISAPS2019において発表した。
一方、1 kWタイプの低電力ガストンネル型プラズマ溶射のため、より詳細なVortex作動ガス流の効果を確認する必要が生じ、トーチ内、出口付近の圧力分布を測定した。その結果、ノズル電極の内径が10 mmの場合、ガス流量50 l/min以上で、ガストンネルの圧力の低下が顕著になることが確認された。また、プラズマ電流が30 Aで操作時間60秒間において、作動ガス流量を30-80 l/minと変化させて、プラズマジェットの安定性を確認した。その結果についても、ISAPS2019において発表した。
なお、本研究課題で行っているプラズマ溶射装置の改良、プラズマ溶射実験、および溶射皮膜のデータ解析等に時間を要したため、現在、研究期間を一年延長し、ガストンネル型プラズマ反応溶射の効率を上げるためのプロセス開発を行っている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本年度は、最終年度であったため、低電力ガストンネル型プラズマ溶射装置について、プラズマ溶射装置の性能の向上を図るため、トーチの改善・改修を完了し、1 kW級プラズマ反応溶射装置による効率的TiO2膜作製を行う予定であったが、低電力ガストンネル型プラズマ溶射のために、より詳細なVortex作動ガス流の効果を確認する必要が生じ、装置の改良、溶射実験の準備に時間を取られ、プラズマ反応溶射装置性能向上の目標を達成できなかった。また、作製したTi/TiN, TiO2溶射膜の品質、反応性の評価をより精緻に行うため、1 kW級プラズマ反応溶射装置によるTiO2膜作製の追加（再現）実験の実施が必要となり、研究の達成度に遅れを生じた。
そこで、これらの研究項目は期間を1年延長して次年度に繰り越した。具体的には、プラズマ反応溶射実験、Ti粉末の反応性の評価を行い、より光触媒機能の高い反応溶射膜の作製など、追加（再現）実験の実施や、論文投稿、学会等への参加を計画している。
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| Strategy for Future Research Activity |
低電力ガストンネル型プラズマ反応溶射について、チタン粉末を用いた１kW級の低電力でプラズマ反応溶射を行い、作製したTiN溶射膜, TiO2溶射膜の皮膜組織・構造、硬度など物理的性質(品質)について再確認し、また、反応性（酸化、窒化）についてはXRDなどの分析評価を行い、1 kW級プラズマ反応溶射装置のサイズ、パワーの小型化などを始めとする更なる改善を行うとともに、その可能性を追求する。また、TiO2複合材料については、皮膜の組織・構造の制御、硬さなど機械的特性、傾斜機能性の制御の可能性も明らかにする。このため、研究期間を一年延長し、1 kW級ガストンネル型プラズマ反応溶射の効率を上げるためのプロセス開発を行うとともに、プラズマ反応溶射によるTi粉末の反応性の評価を行い、より光触媒機能の高い反応溶射膜の作製など、当初の研究目的をより精緻に達成するために、追加（再現）実験の実施を行う。
また、論文投稿、学会等への参加を計画するとともに、TiO2複合膜による高機能化を進め、殺菌、有害物質除去など光触媒機能の向上、耐熱性、耐食性などに優れた機能をもつ新しい高機能環境適応型複合材料の設計・作製を目指し、宇宙航空部品の軽量化を目指した様々な部材への適用、及び、適用部材拡大を検討する。
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| Causes of Carryover |
本年度は低電力ガストンネル型プラズマ反応溶射装置の小型化、改良について、より詳細なVortex作動ガス流の効果を確認する必要が生じ、装置の改良に時間を取られ、反応溶射実験の準備、ガストンネル型プラズマ溶射装置による金属粉末（Cu,Ti）を用いた溶射実験を行ったが、前年度同様、実験回数、および実験データが当初計画より少なく、溶射実験のためのアルバイト謝金など人件費が不要になった。そこで、人件費・謝金の費目分の使用額相当を次年度に繰越し、プラズマ反応溶射実験、Ti粉末の反応性の評価を行い、より光触媒機能の高い反応溶射膜の作製など、追加（再現）実験の実施や、論文投稿、学会等への参加を計画している。
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