2019 Fiscal Year Research-status Report
レーザー照射によるダイヤモンド-SiC複合材料の創製と反応メカニズムの解明
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19K15664
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| Research Institution | Japan Fine Ceramics Center |
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Principal Investigator |
末廣 智 一般財団法人ファインセラミックスセンター, その他部局等, 研究員 (70736818)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | レーザー / ダイヤモンド / 複合材料 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ダイヤモンドは、優れた機械的・熱的特性を有する材料である。しかし、ダイヤモンドの焼結は困難であるため金属を結合相とする複合材料が「ダイヤモンド焼結体」と一般に呼ばれている。さらに、ダイヤモンドは標準状態では準安定層（ΔH = 8722;2 kJ / mol）であるため、800℃程度の不活性雰囲気でグラファイトに相転移する。本研究では、レーザー照射下で容易に進行するSi+C→SiCの固液反応を利用し、またレーザー吸収係数の違いによるSiC結合相の選択的加熱し、ダイヤモンドの相転移を抑制することによって、従来法では不可能なC(dia)/SiC複合材料の新規開発を行う。
具体的な実験としては、C(diamond)-Si-C(graphite)混合粉成形体(混合比50:25:25mol%)にNd:YAGレーザー（波長1064 nm,ビーム径φ10㎜）を300Ｗ出力で1分間照射して焼結体を作製した。この時、2色温度計を用いて時間経過における試料表面温度を測定した。得られた試料は、アルゴンイオンミリング試料加工した後に、走査電子顕微鏡(SEM)を用いて微構造を観察した。
2色温度計の測定結果から、C(graphite)がレーザーを優先的に吸収し、Siを溶融させSiCが反応形成する様子が見られた。またSEM像からは、反応焼結SiC中にダイヤモンドが点在したような組織が見られたことから、ダイヤモンド-SiC複合材料が作製できていることが分かった。しかし、反応焼結SiC中のダイヤモンド含有率は10％程度と低く、これはSiCが反応生成するときの温度は2200℃以上に達するため、部分的にダイヤモンドも溶融シリコンと反応したものと考えられる。そのため、レーザー照射による前にダイヤモンドの相転移を抑制するような材料開発する必要であると考えられる。
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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
年度実施項目であるレーザー直接加熱によるダイヤモンド-SiC複合材料を作製、および2色温度計を用いたレーザー照射下おけるC(diamond)-Si-C(graphite)混合粉末の熱挙動の項目についてはおおむね達成した。しかし得られた材料において、熱の影響で部分的にダイヤモンドが炭化してシリコンに溶解していることが課題であり、このまま熱特性の評価に進んでも目標値のような結果が得られるとは言い難い、そのため、ダイヤモンド表面を炭化物で被覆することでダイヤモンドの熱による相転移を抑制するようなプロセス開発に取り組む予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
溶融塩を用いてダイヤモンド表面を炭化物でコーティングするプロセス開発を行う。この原料を用いることで、レーザー加熱によるダイヤモンド表面の炭化を抑制し、表面の炭化物が結合相となる効果が期待できる。
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| Causes of Carryover |
本年度、購入予定であったサンプルチャンバーの購入を見送り、その予算を次年度の交換時期にあるレーザー消耗品に充填する予定に変更した
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