レーザーを用いた選択的粒界加熱プロセスの開発と高熱伝導性セラミックス部材への展開

激光选择性晶界加热工艺的发展及其在高导热陶瓷部件中的应用

• 批准号: 22K04707
• 负责人: 末廣 智
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: Japan Fine Ceramics Center
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K04707/
• 关键词: AlN; レーザー; 焼結; 窒化アルミニウム

窒化アルミニウム(AlN)は、優れた理論熱伝導率320 W/(m・K)とシリコンに近い熱膨張係数、高い絶縁性をもつことから半導体の放熱基板材料として30年以上も研究されている。しかし、AlNは難焼結材料であり、常圧で緻密焼結体を得る手法としては、主に酸化イットリウム（Y2O3）を焼結助剤とした液相焼結が一般的である。しかし高品質なAlN焼結体を得るためには、1900℃以上の高温で数十時間以上も焼成しなければならず、製造コストが高いことが課題である。一方では近年、国際的な取り組み、SDGs（Sustainable Development Goals：持続可能な開発目標）において省エネルギー化に向けた基盤技術の開発が強く求められている。電気炉を用いた製造工程は多くのエネルギーを必要とする一方で、対象物の加熱に使われているエネルギーは全体の数％程度と言われている。そのため電気炉を使わない省エネルギーなセラミックスの短時間焼結技術の開発が求められている。本年度では、レーザーを用いたAlNの短時間焼結に資する助剤の開発およびそれを用いたAlNのレーザー焼結を検討した。レーザー焼結用の助剤としては、可視光領域に吸収端のある酸素欠損型のY2O3-δを焼結助剤として提案する。酸素欠損させた黒色のY2O3-δは、真空雰囲気中で炭素（C）とY2O3の混合粉末にレーザー照射し溶融凝固させ、ボールミルで微粉化することで作製した。得られた試料の紫外-可視吸収(UV-bis)測定により、レーザー波長1070nm近傍で15％程度光吸収することが明らかとなった。このY2O3-δを助剤として高純度のAlN粉末に数wt%添加し、窒素雰囲気下でレーザー焼結することでAlN焼結体を作製した。しかし、焼結体密度が75％程度と低く、熱伝導率向上のためには、更なる作製条件を精査する必要がある。

氮化铝（ALN）已作为半导体的热量耗散底物材料进行了研究，因为它具有320 W/（M ・K）的出色理论导热率，这是接近硅和高绝缘特性的热量膨胀系数。然而，ALN是一种困难的烧结材料，液相烧结主要用于在正常压力下使用氧化Yttrium Yttrium（Y2O3）作为烧结的辅助方法获得致密的烧结物。但是，为了获得高质量的ALN烧结体，必须在1900°C的高温下烧结或更高数十个小时，而制造成本很高。另一方面，近年来，人们对发展旨在节省国际计划和可持续发展目标（可持续发展目标）的基本技术的发展需求很大。虽然使用电炉制造工艺需要大量能量，但据说用于加热物体的能量约为总数的百分之几。因此，有必要为不使用电炉的节能陶瓷开发短期烧结技术。今年，我们调查了使用激光助长ALN的短期烧结的辅助剂的开发，并使用此辅助剂对ALN的激光烧结。作为激光烧结的辅助，提出了一种缺乏氧气的Y2O3-δ，在可见光区域具有吸收边缘，作为烧结辅助。黑色Y2O3-δ缺乏氧气，是通过在真空气氛中辐射的混合碳（C）和Y2O3来制备的，融化和凝固，然后使用球磨粉粉碎。紫外可见的吸收（UV-BIS）测量所获得的样品的测量表明，在约1070 nm的激光波长下，光吸收了约15％。使用Y2O3-δ作为辅助剂添加了几wt％的Aln粉末，将Aln粉末添加到高纯度ALN粉末中，并在氮气大气下烧结了激光以准备Aln烧结的身体。但是，烧结的身体密度在约75％的情况下较低，需要仔细检查进一步的制造条件，以提高导热率。

项目成果

近赤外レーザーを用いたセラミックス製造技術の開発

近红外激光陶瓷制造技术的发展

• 发表时间: 2023
• 作者: 末廣智

レーザーを用いたセラミックス製造プロセスの開発と JFCC研究者としての働き方

使用激光的陶瓷制造工艺的开发以及如何作为 JFCC 研究员工作

• 发表时间: 2023
• 作者: 末廣智;末廣智
• 通讯作者: 末廣智