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。

精细的表面结构是改善各种表面功能（例如润湿性和生物疗法）的技术之一，并为材料带来了高附加值。这项研究旨在通过表面微观结构处理来改善氧化锆的功能，从而抑制相变和表面缺陷的产生。由于氧化锆是一种坚硬而脆弱的材料，因此使用超短脉冲激光器可以通过非接触式处理去除本地材料的微生物方法有效，并且有必要根据处理原理形成微观结构，该处理原理考虑了激光束和材料之间的相互作用。今年，我们建立了一种微纳米结构加工方法，并阐明了处理现象，目的是阐明氧化锆在超短脉冲激光器中的精细处理特性。此外，使用实验和数值分析对单斜晶体进行了定量分析，以研究微分化过程中加工表面表面下的相变现象。首先，通过研究在非常有限的能量范围内的入射光和表面颗粒之间的相互作用，我们形成了独立于梁直径的新纳米结构。氧化锆是一种多晶材料，当激光光进入材料的内部时，由于晶界以及类似物而无法忽略对处理性能的影响。因此，通过使用具有不同掺杂浓度或单晶样品的样品，我们试图从激光光和材料的角度详细研究处理机制，并揭示了由于结构尺度（例如能量吸收）而引起的加工特性差异。此外，在不同的处理大气中进行了辐照，并通过改变激光光的入射行为和等离子体的扩散状态来评估相变的发生和变化量。据表明，可以通过选择适当的辐射条件来抑制单斜晶体的增加，并且材料强度测试证实了处理后表面的强度。