超短パルスレーザ照射によるジルコニア表面へのマイクロ・ナノ構造形成

超短脉冲激光照射在氧化锆表面形成微纳结构

基本信息

批准号：
22KJ2706
负责人：
山室悠香
金额：
$ 1.09万
依托单位：
Keio University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2023
资助国家：
日本
起止时间：
2023-03-08 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

微細な表面構造は濡れ性や生体親和性など様々な表面機能を向上させ、材料に高付加価値を付与する手法の一つである。本研究では、相変態や表面欠陥の発生を抑制した、表面微細構造加工によるジルコニアの高機能化を目指している。ジルコニアは硬脆材料であるため、非接触加工で局所的に材料を除去可能な超短パルスレーザによる微細加工法が有効であり、レーザ光と材料の相互作用を考慮した加工原理をもとに微細構造を形成する必要がある。本年度は、超短パルスレーザに対するジルコニアの微細加工特性解明を目的として、マイクロ・ナノ構造の加工法確立と加工現象の解明を行った。また、微細加工中の加工面下の相変態現象を調査するため、実験および数値解析を用いた単斜晶の定量的解析を行った。まず極めて限定的なエネルギー範囲で生じる、入射光と表層粒子の相互作用を調査することで、ビーム径に依存しない新たなナノ構造体の形成を行った。ジルコニアは多結晶体材料であり、レーザ光が材料内部へ進入した際、結晶粒界などによる加工特性への影響が無視できない。そのため、異なるドーパント濃度を有する試料や単結晶試料を用いることで、レーザ光および材料の両視点から詳細な加工メカニズム調査を試み、エネルギー吸収など構造のスケールによる加工特性の違いを明らかにした。また、異なる加工雰囲気で照射を行い、レーザ光の入射挙動やプラズマの拡散状態を変化させることで、相変態の発生有無やその変化量を評価した。適切な照射条件を選定することで単斜晶の増加を抑制できることが明らかになり、材料強度試験でも加工面強度の維持が確認された。

精细表面结构是改善润湿性和生物相容性等各种表面功能并增加材料高附加值的一种方法。在这项研究中，我们的目标是通过表面微结构处理来抑制相变和表面缺陷，从而提高氧化锆的功能。由于氧化锆是一种硬而脆的材料，因此采用超短脉冲激光的微加工方法可以通过非接触式加工局部去除材料，这种微加工方法是有效的，并且基于考虑了激光与材料之间相互作用的加工原理。必须形成精细的结构。今年，为了阐明超短脉冲激光器氧化锆的微加工特性，我们建立了微纳米结构加工方法并阐明了加工现象。此外，为了研究微加工过程中加工表面下的相变现象，通过实验和数值分析对单斜晶体进行了定量分析。首先，通过研究在极其有限的能量范围内发生的入射光和表面粒子之间的相互作用，我们能够形成一种独立于光束直径的新纳米结构。氧化锆是多晶材料，当激光进入材料时，晶界对加工特性的影响不容忽视。因此，通过使用不同掺杂浓度的样品和单晶样品，我们试图从激光和材料的角度详细研究加工机制，并阐明根据结构尺寸不同的加工特性的差异，例如能量吸收。此外，通过在不同的处理气氛中进行照射并改变激光束的入射行为和等离子体的扩散状态，我们评估了是否发生相变以及变化量。明确了通过选择适当的照射条件可以抑制单斜晶体的增加，并且材料强度测试也证实了加工表面的强度得以维持。