2015 Fiscal Year Annual Research Report
局所的短パルス加熱による材料プロセスでの現象解明とその応用
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26289266
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
越崎 直人 北海道大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40344197)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
石川 善恵 国立研究開発法人産業技術総合研究所, ナノ材料研究部門, 主任研究員 (20509129)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | ナノ材料 / パルス加熱 / 局所加熱 / 球状粒子 / 表面処理 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
液体中に分散した熱容量の小さい粒子に選択的にパルスレーザー光エネルギーを吸収させて溶融を引き起こさせることで金属やセラミックスの結晶性サブミクロン球状粒子の作製する「液中レーザー溶融法」を開発した。この手法の本質は「局所的短パルス加熱」であ
り、従来の材料プロセスの「大空間長時間均一加熱」の対極をなす加熱法であるが、実際にその過程で起こっている現象の詳細は明らかになっていない。
本研究ではこのプロセスのメカニズムを明らかにすることを目指して、生成物からのプロセス評価、高速分光評価、ミュレーションによる解析、の３つのアプローチにより研究を進めた。
生成物からのプロセス評価に関しては、パルス幅の異なるレーザー光を利用して酸化亜鉛および銀のサブミクロン球状粒子を作製し、得られた粒子の形態観察からサブミクロン球状粒子生成レーザーフルーエンスのしきい値に及ぼすレーザーパルス幅の効果について検討した。その結果、同じパルスエネルギーでパルス幅が40ps、7ns、50nsの3種類のレーザーにより球状粒子生成を試みたところ、球状粒子が生成するレーザーフルーエンスの値がパルス幅が短くなるほどしきい値が小さくなる傾向が認められた。供給するエネルギーが全て粒子の加熱に使われたとする断熱過程を仮定すると、サブミクロン球状粒子の生成フルーエンスの値をパルス幅に依存しないと考えられ、この実験結果をうまく説明できない。そこで、エネルギー損失を考慮に入れたモデルを用いてシミュレーションを行い、粒子と液体の界面に蒸気層が生成する仮定したモデルにより、このような現状をうまく説明することができた。また、これを利用してエネルギー効率を計算したところ7ns以下ではほぼ100％であるが、50nsでは80％程度まで低下することも明らかになった。さらに、存在が予測された空気層の可視化を目指した高速分光の準備を進めてきた。
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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
本研究では、金属やセラミックスの結晶性サブミクロン球状粒子新しい作製法である「液中レーザー溶融法」において見られる「局所的短パルス加熱」のメカニズム解明を目指して、生成物からのプロセス評価、高速分光評価、シミュレーションによる解析、のアプローチにより取り組んできた。
加熱時間の違いを生じるレーザーパルス幅の違いが生成物に及ぼす影響から、熱損失の効果を考慮する必要が明らかになり、粒子と液体の界面において蒸気層の生成が示唆された。これに基づいたシミュレーション結果から、粒子温度の時間変化や界面近傍での温度変化などに関する情報が得られた。このように現象の理解は今年度大きく進んだものと考えられる。また、このモデルを実証するための高速分光実験の準備も整ってきた。このような計測を行うための最大の問題点は、対象物が液体中に分散しブラウン運動で移動している粒子であることである。粒子自体はサブミクロンサイズの固体粒子だが、その周りに蒸気層の生成が考えられ光学的な性質が大きく変わる可能性があり、これに基づいた観測方法について実験的に最適なものを探索している段階である。
これと平行してレーザー以外のエネルギー源による「局所的短パルス加熱」の実現を目指してマイクロ波を用いた実験を進めてきた。マイクロ波と光の波長やパルス幅の違いを反映してミクロンサイズの球状粒子生成の可能性を示す実験結果が得られた。この研究内容は、日本電磁波エネルギー学会でその内容の斬新さからベストペーパー賞優秀賞を受賞することができた。また、サブミクロン球状粒子の機械的な性質の測定を目指した実験でも、粒子が単結晶であることを反映した高強度が得られることを実験的に証明した。このように、局所的短パルス加熱への理解は着実に進んでおり、応用を目指した研究展開も順調である。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究では、「局所的短パルス加熱」の過程で起こっているメカニズムを解明することを目指して、生成物からのプロセス評価、高速分光評価、シミュレーションによる解析、を進めてきた。今後もこの方向をさらに発展させていきたい。
生成物からのプロセス評価に関しては、ピコ秒レーザやフェムト秒レーザーを使った場合の生成物に関する詳細な分析やプロセス中に発生するガス状の生成物の評価などについて検討するとともに、なぜ粒子が単結晶化するかについてのメカニズムについても電子線後方散乱回折法（EBSD)による分析などを駆使して取り組んでいく。高速分光評価については、同じ分野内の分光計測の専門家と協力して意味あるデータの取得を目指していきたい。シミュレーションによる解析については、今年度進めてきた物理化学的伝熱モデルと試料の温度変化がレーザー光のエネルギー投入とともにどのような時間スケールで進行するかを、解明していくだけでなくレーザー照射時にどのようなメカニズムにより粒子が加熱していくかについても検討を進めていく予定である。これらのアプローチを統合していくことにより、プロセスの全体像を解明していくことを目指していきたい。
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| Causes of Carryover |
研究計画で取りあげた高速分光評価の部分が実験実験条件の探索などの理由から、本格的な実験に移行することができなかった。そのため、次年度に繰り越すことになった。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度は、高速分光評価の部分に関連した消耗品などの購入を計画している。また、シミュレーション実験の進展に伴い、電算機使用料などの増額が予定されている。
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Research Products
(18 results)
