2018 Fiscal Year Annual Research Report

新規な光・熱応答性濃厚スラリーの開発と機能性複雑形状セラミックスの高精細造形

Research Project

Project/Area Number	18H01704
Research Institution	Yokohama National University
Principal Investigator	飯島志行横浜国立大学, 大学院環境情報研究院, 准教授 (70513745)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	丸尾昭二横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (00314047) 多々見純一横浜国立大学, 大学院環境情報研究院, 教授 (30303085)
Project Period (FY)	2018-04-01 – 2021-03-31
Keywords	セラミックス / スラリー / 三次元造形 / 表面設計 / 分散制御
Outline of Annual Research Achievements	本課題は、「各種粒子材質に対する応用性に優れ」、「スラリー中での粒子集積構造も制御可能」な、「樹脂使用量を極力低減」した光・熱硬化性高粒子濃度スラリーを開発したうえで、本スラリーを駆使して「バルク体に匹敵する機械的機能」を示す、「マイクロメートルオーダーの造形分解能」をもった高精細なセラミックス三次元複雑造形体を「生産性よく製造」するプロセスの構築を目的としている。この目的を達成するため、2018年度では樹脂使用量を低減した光・熱硬化性スラリーの開発と、その硬化挙動の制御因子の解明に取り組んだ。具体的には、申請者がこれまで独自に開発してきた、粒子材質に寄らずに「多成分・濃厚スラリーの分散」と「スラリー中での粒子集積構造制御」を実現する表面修飾剤であるポリエチレンイミン(PEI)－オレイン酸会合体で表面処理した粒子間を、少量(粒子に対して約3~7wt%)の多官能アクリレートモノマーにより架橋することでスラリーを固化する新手法を構築した。Si3N4微粒子をモデル粒子として、PEI会合体とアクリレート間のMichael付加反応を利用する熱硬化スラリーと、SiO2やAl2O3微粒子をモデル粒子として、アクリレート間の光ラジカル反応と、PEI会合体とアクリレート間のMichael付加反応を併用する光硬化スラリーの開発に成功した。いずれの熱・光硬化性スラリーについても、紫外光・熱の印加前では高い分散安定性を有することがレオメータを用いた流動特性評価で確認され、スラリー中の粒子濃度が高いほど、また、PEI会合体の会合度が低いほど、熱・光硬化性が高いことが動的粘弾性評価に基づいて明らかとなった。また、FTIRによる粒子の表面構造評価により、紫外光・熱の印加によって多官能アクリレートがPEI会合体で修飾された粒子表面に固定化されたことも確認された。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 1: Research has progressed more than it was originally planned. Reason 当該年度に計画していた、PEI会合体で表面処理した粒子間を少量の多官能アクリレートモノマーにより架橋する光・熱硬化性スラリーの設計と、その硬化挙動因子の解明に成功している。さらに、熱硬化性スラリーについてはSi3N4セラミックスの製造プロセスで利用する焼結助剤微粒子を含む多成分系スラリーへ展開するための予備的検討を、光硬化性スラリーについては青色半導体レーザーを用いた三次元造形法への適用のための予備的検討にも着手していることから、本研究は当初の計画以上に進展している。
Strategy for Future Research Activity	複数の原料微粒子を分散したスラリーを用いるSi3N4セラミックス(Si3N4微粒子および、助剤としてY2O3, Al2O3, TiO2, AlNなどの微粒子)を対象に、2018年度に構築した熱硬化性スラリーを用いた新規その場固化法により複雑形状体が作成できることを示す。市販のシリコーン鋳型中で新規その場固化成形し、複雑形状をもつ緻密体を得るための脱脂・焼結プロファイルを明らかにする。また、原料スラリー中での粒子集積構造制御に基づく成形体微構造設計により、バルク体と匹敵する強度を示す複雑形状セラミックスの作製法を明らかにする。また、SiO2微粒子をモデル材料とし、微粒子との屈折率を合わせた混合溶媒からなる粒子／溶媒系について、2018年度に構築した粒子間架橋形成法を利用した光硬化性透明スラリーを設計する。設計したスラリーに対して、青色半導体レーザーを用いたマイクロ三次元造形法を融合し、セラミックス複雑形状体の造形に展開できることを示す。