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軽水炉燃料被覆管、高速炉水素化物制御体被覆管、核融合炉ブランケット配管などの先進原子力エネルギー技術の材料分野において、水素同位体の構造材料への固溶および炉外への透過によって引き起こされる金属の脆化および水素の損失は、重大な技術課題の一つと考えられている。これらの課題を克服する手法として、容器および配管内面に水素透過を低減する薄膜を施すことが検討されており、現在まで酸化アルミニウムを中心とした各種セラミック薄膜が水素透過防止性能を示すことが報告されている。しかしながら、理想的な結晶構造を有する薄膜試料の作製は、現状では多くの課題が残っている。一方で、近年薄膜材料として酸化エルビウムを用いた研究が行われている。酸化エルビウムは熱力学的に最も安定な酸化物の一つで、強還元性雰囲気下での使用が期待され、また水素透過防止性薄膜としても高い性能を有することが示されているが、研究例がほとんどなく、作製パラメータを変化させることでより高い水素透過防止性能が期待できる。そこで本研究では、結晶性や界面の状態を変化させた酸化エルビウム薄膜試料を作製し、膜質と水素透過防止性能の関連性を調べることによって、薄膜試料の水素透過特性を評価することを目的とした。
各種ステンレス基板に真空アーク蒸着法およびゾル-ゲル法で薄膜を作製し、光学顕微鏡による表面観察、X線回折による結晶構造の分析、また透過型電子顕微鏡による断面観察を行った。これより、薄膜中のホール・クラックの有無、中間層、結晶性などについて情報を得た。続いて、水素透過装置を用いて基板及び薄膜試料の水素透過測定を行ったところ、薄膜の基板毎の透過防止性能の差は小さく水素の移動が薄膜のみに制御されていたこと、また、基板-薄膜界面が薄膜の密着性に大きく影響すること、熱サイクル中で薄膜は劣化しない等の透過挙動が得られた。
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