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セラミック材料の超高能率精密微細加工技術の開発

研究課題

研究課題/領域番号 22KF0116
補助金の研究課題番号 22F22360 (2022)
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分基金 (2023)
補助金 (2022)
応募区分外国
審査区分 小区分18020:加工学および生産工学関連
研究機関東京大学

研究代表者

杉田 直彦  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (70372406)

研究分担者 ZHANG YANMING  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 外国人特別研究員
研究期間 (年度) 2023-03-08 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
2,400千円 (直接経費: 2,400千円)
2024年度: 100千円 (直接経費: 100千円)
2023年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円)
2022年度: 1,200千円 (直接経費: 1,200千円)
キーワードダブルパルスフェムト秒ーマイクロ秒レーザ加工 / 金属相 / 材料除去効率 / 表面の均質性 / 電子励起 / 散乱効果 / ダブルパルスフェムト秒―マイクロ秒レーザ加工 / 加工能率
研究開始時の研究の概要

セラミック材料は,熱的,力学的,化学的および電気的に優れた特性を有し,最先端製品の製造に広く用いられている.既存のフェムト秒レー ザ加工法によるセラミック材料の加工は,低いエネルギ効率および局所的なマイクロクラックの発生により,高効率,高精度,高品質な加工を実現できていない.本研究は,局所的かつ過渡的な光誘導結晶粒界変化のメカニズムに基づいて,セラミック材料の表面付近でのフェムト秒レーザの散乱を取り除き, 高密度微細スケールの電子励起領域(金属相)発生の制御を実現することで,最終的にセラミック材料の高速精密微細加工の実現を目指す.

研究実績の概要

セラミック材料(Al2O3, AlN, Si3N4, ZrO2等)は, 熱的, 力学的, 化学的および電気的に優れた特性を有し, 最先端製品の製造に広く用いられている.既存のフェムト秒レーザ加工法によるセラミック材料の加工は, 低いエネルギ効率および局所的なマイクロクラックの発生により, 高効率, 高精度, 高品質な加工を実現できていない.本研究は, 局所的かつ過渡的な光誘導結晶粒界変化のメカニズムに基づいて, セラミック材料の表面付近でのフェムト秒レーザの散乱を取り除き, 高密度微細スケールの電子励起領域(金属相)発生の制御を実現することで, 最終的にセラミック材料の高速精密微細加工の実現を目指す.
今年度は,超高速カメラ観察によって,セラミック材料のダブルパルスフェムト秒-マイクロ秒レーザ加工の材料除去メカニズムを明らかにし,セラミック材料の加工効率を大幅に向上させた.従来のフェムト秒レーザ加工と比較して,加工効率は5000倍以上に向上した.連続波レーザの照射によって,この金属相領域の材料を瞬間的に溶融・除去(マイクロ秒スケール)し,高効率精密微細加工を実現した.また,穴の材料除去効率,表面の均質性,寸法の精度などの加工特性を評価した.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

今年の研究目標は,セラミック材料の高効率精密微細加工を実現するために,セラミック内部の金属相の形態変化を観察することであった.この目標を達成するために,改良されたポンププローブ超高速観察プラットフォームを構築した.連続波レーザの照射により,金属相の材料を瞬間的に溶融・除去(マイクロ秒スケール)し,高効率精密微細加工を実現した.また,セラミックの材料除去時に発生するマイクロ・サブマイクロスケールのダメージを評価し,加工品質を向上させた.さらに,セラミック材料に対して超高速アレイ構造の加工実験を行い, 穴の材料除去効率,表面の均質性,寸法の精度などの加工特性を評価した.よって,今年度の研究進捗はおおむね順調であった.

今後の研究の推進方策

さらなる過渡選択的レーザ加工法の改善を行う.また,セラミック材料の高効率精密微細加工技術を構築し,異なる種類のセラミック材料における高効率・高精密微細加工の材料依存性を調査する.さらに,低透過率材料であるセラミック材料の高効率精密微細加工のデータベースを構築する. 最終的に研究報告書を作成する.

報告書

(2件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (4件)

すべて 2024 2023

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (1件) (うち国際学会 1件)

  • [雑誌論文] Generation mechanism and temporal?spatial evolution of electron excitation induced by an ultrashort pulse laser in zirconia ceramic2024

    • 著者名/発表者名
      Wei Chaoran、Zhang Yanming、Sugita Naohiko、Ito Yusuke
    • 雑誌名

      Applied Physics A

      巻: 130 号: 2 ページ: 105-105

    • DOI

      10.1007/s00339-023-07223-7

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Ultrafast processing of zirconia ceramics by transient and selective laser absorption2024

    • 著者名/発表者名
      Zhang Yanming、Wei Chaoran、Fukui Tomohiro、Sugita Naohiko、Ito Yusuke
    • 雑誌名

      Ceramics International

      巻: In press 号: 14 ページ: 25273-25281

    • DOI

      10.1016/j.ceramint.2024.04.257

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Mechanism and performance evaluation of transient and selective laser processing of glass based on optical monitoring2023

    • 著者名/発表者名
      Zhang Yanming、Ito Yusuke、Yoshizaki Reina、Shibata Akihiro、Nagasawa Ikuo、Nagato Keisuke、Sugita Naohiko
    • 雑誌名

      Optics Express

      巻: 31 号: 23 ページ: 38191-38191

    • DOI

      10.1364/oe.497360

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Ultrafast and precision micro-drilling of zirconia ceramics by transient and selective laser processing2023

    • 著者名/発表者名
      Yanming Zhang, Chaoran Wei, Yusuke Ito, Naohiko Sugita
    • 学会等名
      The 24th International Symposium on Laser Precision Microfabrication
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会

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公開日: 2022-11-17   更新日: 2024-12-25  

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