JP2005272915A - 金属材料表面に於けるナノ多孔質層の製作法 - Google Patents

Abstract

【課題】
従来の技術では、微細多孔質層（１μｍ以下の微細径）の金属表面への加工の製作は不可能であった。
【解決手段】
高融点金属材料表面の高エネルギー・高粒子束のイオンビームによる照射と加熱を同時に行うことにより、その表面に微細多孔質層（１μｍ以下の孔径のナノ多孔質層）を形成するものである。即ち、高粒子束ヘリウムイオンビーム照射（６．７×１０²⁰Ｈｅ／ｍ²／ｓ）により、表面温度２２００℃程度まで加熱されたタングステン表面を多孔質化する。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属材料表面への微細多孔質層（ナノ多孔質層）の形成に関するものである。特に、本発明においては、イオンビームによる照射と加熱を同時に行うことにより、これまでより簡単な方法で金属材料表面に微細多孔質を形成することを可能とした。

従来、金属材料表面に微細多孔質層を形成させるためには、その表面を、機械的処理加工、他材料の粉末の添加・接合処理加工、プラズマ溶射処理加工、焼結処理加工、および電気化学処理加工などの加工により行っていた。

上記従来の技術では、微細多孔質層（１μｍ以下の微細径）の金属表面への加工の製作は不可能であった。

本発明は、高融点金属材料表面の高エネルギー・高粒子束のイオンビームによる照射と加熱を同時に行うことにより、その表面に微細多孔質層（１μｍ以下の孔径のナノ多孔質層）を形成するものである。即ち、イオンビームによる照射と加熱を同時に行うことにより、これまでより簡単な方法で金属表面に微細多孔質を形成することを可能とした。

本発明においては、高粒子束ヘリウムイオンビーム照射（６．７×１０²⁰Ｈｅ／ｍ²／ｓ）により、表面温度２２００℃程度まで加熱されたタングステン表面が、このような多孔質に変化することはこれまで知られていなかった。

本発明による微細多孔質形成により、これまで困難であった高融点金属と異種材料との接合においてアンカー効果による接合性の向上を図るなど機械性質の改質を図ることが出来る。加えて、形成された微細多孔質による表面改質の例として、材料表面積が増大することから、吸着、触媒、固一液界面相互や潤滑などの物理・化学性質の改善を図ることができる。また、微細多孔質面が形成された金属表面（例としてタングステン）は、紫外線から赤外線までの幅広い波長において、反射率がほぼ２％以下の低反射率を有する、すなわち、入射光を安定にほぼ吸収する。

タングステンのような高い材料安定性・真空特性などを有する高融点金属を基板材料に選ぶことにより、本発明による微細多孔質の機械・物理・化学・光学特性は超高温での使用に適用できる。

本発明は、金属表面に微細な多孔質構造を製作方法に関する発明である。本発明の製作方法では、金属材料表面に高粒子束・高エネルギーを有するイオンビームによる照射と加熱を同時に行うことにより、従来より小さな細孔径の微細多孔質層（１μｍ以下）を金属表面に形成する。例として、図１に、タングステンにヘリウムイオンビームを照射した揚合に形成された多孔質面のＳＥＭ観察写真（走査型電子顕微鏡写真）を示す。

金属材料温度をその材料中の注入イオン集合体（バブル）が活発に動き始める温度に選ぶことにより、各種金属材料で多孔質表面が得られる。従来の方法で多孔質層を形成するには機械的加工や他材料・粉末の添加・接合・プラズマ溶射・焼結および電気化学処理などの加工が必要であり、今回のような微細多孔質層の形成は困難であった。

本発明で加工可能な金属材料は金属一般に関して適用可能であるが、特に多孔化可能なものはタングステン、モリブデン、ステンレス等であり、その金属により照射量や最高到達表面温度は異なる。又、本発明においては、ヘリウムイオンビームの照射強度（エネルギー）は数ｅＶ以上、粒子束の範囲は１０²⁰ｉｏｎ／ｍ²／ｓ、照射量は１０²¹ｉｏｎ／ｍ²以上、金属表面温度は融点の半分から２／３程度であれば可能である。

（実験データ）
高融点金属であるタングステンにビームエネルギー：１４ｋｅＶ、粒子束：６．７×１０²⁰Ｈｅ／ｍ²／ｓ、照射量：３．３×１０²³Ｈｅ／ｍ²、表面最高到達温度：２２００℃の条件で、ヘリウムイオンビームを照射したところ、１μｍ以下の微細多孔質構造を形成することが出来た。これより低温での照射や同じ低元素イオンである水素イオンビームでは、このような多孔質は形成できなかった。

本発明による上記ヘリウム照射、加熱により多孔質状に変化したタングステン表面が図１に示されている（ＳＥＭ写真、１万倍）。又、本発明による上記ヘリウム照射、加熱により多孔質状に変化したタングステン表面の反射率が図２に示されている。図２においては、アルミナ蒸着ミラーの反射率、タングステンの未照射部の反射率、及びタングステンのＨｅ被照射部の反射率が示される。これによると、タングステンのＨｅ被照射部の反射率が低いことが示されている。

本発明における金属表面上の微細多孔質層（ナノ多孔質層）は、高融点金属と異種材料との接合時のアンカー効果などによる接合性向上や、材料表面積の増大による吸着・触媒・潤滑性の改質、また、多孔質表面による光の低反射率（高吸収面、添付資料図２）を形成することが可能であると考えられる。

ヘリウム照射、加熱により多孔質状に変化したタングステン表面を示す図である。 ヘリウム照射、加熱により多孔質状に変化したタングステン表面の反射率を示す図である。

Claims (2)

1. 金属材料表面の高エネルギー・高粒子束のイオンビームによる照射と加熱を同時に行うことにより、その表面に微細多孔質層（１μｍ以下の孔径のナノ多孔質層）を形成する金属材料表面におけるナノ多孔質層の製作法。
2. 高粒子束ヘリウムイオンビーム照射（６．７×１０²⁰Ｈｅ／ｍ²／ｓ）により、表面温度２２００℃程度まで加熱されたタングステン表面が多孔質に変化することを特徴とする請求項１記載の方法。