Research

加工技術

ナノ炭素材料による超精密研磨

ナノ炭素材料(カーボンオニオン,ナノダイヤモンド)を砥粒とした,超精密研磨手法について研究を行っています.ナノダイヤモンドはその硬度とサイズを活かし,研磨速度と到達表面あらさの両面で優れた研磨性能を示しますが,微小な傷を残す欠点があります.一方,本研究室で提案しているカーボンオニオン砥粒では,対象が硬質な炭化ケイ素であっても砥粒性能を発揮し,微小な傷の発生を抑制する効果もあります.また,このカーボンオニオン砥粒をより有効に活用するための研磨装置の設計,製作も行っています.

 

粒子単位付加造形

金属材料の3Dプリンティングが注目されていますが,従来の手法は微細な金属粉末を層にし,レーザで必要な部分のみを固める積層造形法でした.積層造形は層の面内方向と積層方向で特性が異なる,レーザによる溶融・固化の範囲の制御が難しい,フレーム構造のような空隙の大きい形状に不向きであるといった問題もあります.そこで,本研究室では層ではなく粒子1粒を付加単位とした新しい付加造形法を提案しています.強磁性体粒子を磁場により空間中に配置し,レーザにより粒子同士を直接接合することで,粒子単位で造形の制御を可能にしました.

 

上)粒子単位付加造形法の概念図,粒子位置は磁石で制御

左)高速カメラで撮影したレーザにより接合される粒子

加工技術

表面改質

CDC(Carbide Derived Carbon)生成による高潤滑層形成

炭化ケイ素表面に高潤滑な炭素層を形成し,マイクロトライボロジー特性に優れた表面としています.この技術を応用し,高温で高速駆動するマイクロマシンの実現が期待されています.

レーザピーニングによる材料高機能化

超硬合金や生体適合材料,薄膜材料など,レーザピーニングの適用例の少ない機能性材料を対象に,工業的に価値のある表面改質を実現しています.一例として,超硬合金の切削チップへレーザピーニングを適用することで,工具摩耗量を低減することに成功しています.

化学的作用によるぬれ性の局所改質

無機材料の表面官能基の密度をレーザで制御することにより,広い接触角範囲で濡れ性を制御可能にしています.また,このとき,表面の形状・形態変化はほとんど発生せず,光学特性や表面粗さなどを犠牲にせず,汚染も発生しません.本手法ではサブミリレベルで空間的に濡れ性をデザインすることが可能であり,表面エネルギによる“見えない”流路の形成や,液滴の自己輸送能力発現を実現しています.

表面改質

材料開発

分子形状を制御したカーボンオニオン

カーボンオニオンは,多層球殻構造を有するグラファイト結合性のナノ炭素材料です.本研究室では,ナノダイヤモンドやカーボンブラックを2000℃付近で熱処理することで,高品質なカーボンオニオンの大量合成を行っています.合成したカーボンオニオンは,潤滑剤や研磨剤,電極材料と多様な応用研究へ展開しています.また,合成条件や原料の違いによるカーボンオニオンの基礎特性そのものの違いを評価するために,未だ確立されていないナノ粒子単体の機械特性評価にも挑戦しています.

高機能アモルファスカーボン

アモルファスカーボンは,高潤滑性,高化学的安定性,高機械強度を有する薄膜材料です.本研究室では,電子ビーム励起プラズマPVD法やRFマグネトロンスパッタ法により硬質なアモルファスカーボン膜を成膜しています.また,主に潤滑を応用先として,蛍光による摩耗検出機能を有する複合薄膜や,微量な金属元素を添加することで低電気抵抗率を有し除電可能な薄膜の実現,また剥離を抑制するために基板にナノレベルの微細孔を施すなどの高機能化を目指しています.

パルスアークプラズマによる卑金属ナノ粒子生成

材料開発

材料評価

ナノ粒子の圧縮破壊試験法

ナノ粒子による研磨のメカニズム解明を目指し,ナノインデンターを用いた,ナノ粒子の破壊強度評価を行っています.基板上に分散したナノ粒子を走査型プローブ顕微鏡の要領でダイヤモンド圧子により検出し,その中心に荷重を加えて圧縮破壊しています.これまで,直径約10nmのカーボンオニオンの圧縮破壊試験に成功しています.

マイクロトライボロジー評価

アモルファス炭素膜のような固体潤滑コーティングをマイクロマシンに適用するためには,摩擦係数や摩耗特性を微小荷重・微小領域で評価する必要があります.そこで,摩擦力顕微鏡を用いた微小摩擦・摩耗試験を行っています.既製品のシリコンプローブでは摩耗試験に適さないため,集束イオンビームを用い,摩耗試験用のプローブを研究室で加工しています.実際に製作したプローブで1万回の走査を行い,試料の摩耗の検出や,耐久性評価に成功しています.

材料評価