2021 Fiscal Year Research-status Report
Study of mechanism and develop of new control method of formation of laser induced periodic surface structure on ceramics for medical applications
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19K05320
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
欠端 雅之 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (70356757)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
屋代 英彦 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (30358197)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 光プロセッシング / フェムト秒レーザー / セラミックス / ジルコニア / 周期構造 / 表面修飾 / アブレーション / チタン合金 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
医療用インプラントに用いられるイットリア安定化正方晶ジルコニアセラミックスへのフェムト秒レーザー誘起表面周期構造形成(LIPSS)を見出し、医療部材応用にむけた機能性材料膜のコーティングや部材の特性評価を進めている。観察されたジルコニアセラミックス上の周期構造は周期がレーザー波長よりもわずかに大きく偏光に平行な縞状であり、形成機構に未解明な部分がある。本研究では (1)ダブルパルス照射による周期構造形成実験、(2) ポンプ-プローブ計測による構造形成の時間発展の観測、（3）得られた実験結果から形成機構を明らかにすること、（4）医療用セラミックス材料表面のレーザー誘起表面周期構造形成の新しい制御方法を開発することを目的としている。
2021年度は引き続き（1）ダブルパルス照射による周期構造形成を中心に研究を進めた。フェムト秒レーザーパルスを異なる偏光状態を持つ二つのパルスに分割し、光振動の1/10ステップで遅延を変化しながら照射した。2021年度は（3）形成機構解明を目的とし、従来対象としたジルコニアセラミックスとは周期構造の偏光依存性が異なる材料としてチタン合金を対象とした実験を行った。チタン合金も医療用インプラントに用いられる。1ビーム照射の場合にチタン合金表面に形成される周期構造はレーザーの偏光方向に直交し構造周期は波長よりも小さかった。ダブルパルス照射実験として、異なる遅延（例えば0 fs、+-100 fs）において遅延を精密に変化しながら直交偏光ダブルパルス照射、逆回り円偏光ダブルパルス照射を行った。直交偏光ダブルパルス照射での周期構造変化の遅延に対する周期性はジルコニアと同じであったが、周期構造変化の一周期内での振る舞いには差異がみられた。これは異なる材料に対する周期構造形成機構の違いが影響していると推測される（国内学会で発表）。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
高精度な遅延光学系を試作構築しダブルパルス照射による周期構造形成実験を、当初の計画通り実施した。光振動の1/10ステップ（位相精度）で遅延を変化させ、異なる偏光を有する二つのパルスの合成パルスを照射し周期構造を形成した結果、遅延（相対位相）に対する周期的な変化を確認した。医療用材料としてセラミックスに加え比較対象として医療用金属材料であるチタン合金の周期構造形成評価を実施した。以上は構造形成過程解明と新しい周期構造制御方法につながる成果である（国内外の学会で発表）。
また表面周期構造形成前後の表面応力を測定し、従来報告されていない表面周期構造形成と異方性のある残留応力変化を確認した。更に周期構造形成を施した試料の機械強度に対して表面応力の変化が影響を与えていることを明らかにした。以上は周期構造形成の機構解明に新しい知見を与えるとともに、部材の実用化において重要である。
以上のように、研究目的である周期構造の形成機構解明および新しい制御方法の開発につながる結果が得られているが、2021年度は金属表面の観察に想定以上に労力が必要であったこととコロナ禍による出勤制限による時間の制約があり、成果の発表や論文化がやや遅れている。
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| Strategy for Future Research Activity |
2022年度は、これまで得られたジルコニアセラミックスに対する結果（ダブルパルス照射による周期構造形成、レーザー照射による表面応力変化と機械強度の変化、長期信頼性に関連する水熱劣化による結晶相の評価結果等）について論文化を進めるとともに、昨年度開始した金属材料を対象としたダブルパルス照射による周期構造形成実験を進める予定である。
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| Causes of Carryover |
コロナ禍により国際学会がオンライン開催となり、当初計画していた海外出張費が発生しなかったことが主な理由である。本年度は論文化や成果発信のために、英文校正、論文投稿、学会参加費用に使用する。また実験に必要となる消耗品類の購入に使用する。
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Research Products
(2 results)
