任意屈折率のシリカエアロゲル開発と性能評価田端誠

任意屈折率のシリカエアロゲル
開発と性能評価
田端誠，足立一郎A，福嶋知一，河合秀幸B，倉谷厚志，
西田昌平A，布村崇裕，奥平恭子C，富岡功輔，矢野創C，横川弘D
千葉大自然，高エ研A，千葉大理B，ISAS / JAXAC，松下電工D
28pWL-5
日本物理学会第61回年次大会
愛媛大学・松山大学
2006/03/28(Tue)
研究背景
屈折率
シリカエアロゲル
（固体）
気体
1.001
1.005
液体・固体
1.08
低屈折率エアロゲル製作の困難
超臨界乾燥時の高温で
1.3
高屈折率エアロゲル製作の困難
テトラメトキシシラン + 水 > 溶媒
エアロゲルが収縮
調合液が分離
密度が上がり、
ゲル化が進行しない
屈折率が上がる
2
これまでの成果
低密度エアロゲル
高屈折率エアロゲル
JPS 2004 春
JPS 2004 秋
2層間の
製作途中で
化学的結合が
意図的に
収縮を抑制する。
収縮させる。
松下電工（株）
標準製法
改善が必要
2層式
• クラック
• 反り・歪み
• 透明度
3
高屈折率エアロゲルの開発
～ピンホール乾燥法～
（室温ゆっくり乾燥→収縮）
標準製法
調合
超臨界乾燥
エアロゲル
ゲル化
ピンホール乾燥
洗浄 2
アルコゲル
熟成
洗浄 1
疎水化処理
5
ピンホール乾燥法～高屈折率エアロゲルの製法～
自然乾燥
ピンホール乾燥法
調合・半熟成後のアルコゲルを
半密閉容器に入れ、徐々に溶媒を揮発させる
ゲル構造を壊さずに収縮
→ 密度（屈折率）増大
6
屈折率と透過長
40.0
Pinhole Drying '05
[Methanol]
35.0
Reference '05
[Methanol]
30.0
@400nm
Transmission Length [mm]
45.0
25.0
20.0
2005年製作
15.0
10.0
5.0
0.0
1.000
1.050
1.100
1.150
1.200
1.250
Refractive Index @405nm
1.300
7
屈折率と透過長
ジメチルホルムアミド（DMF）溶媒
40.0
Pinhole Drying '06
[Methanol]
35.0
Pinhole Drying '06
[DMF]
30.0
@400nm
Transmission Length [mm]
45.0
25.0
Reference '06
[Methanol]
20.0
Reference '06
[DMF]
15.0
Pinhole Drying '05
[Methanol]
10.0
Reference '05
[Methanol]
5.0
0.0
1.000
1.050
1.100
1.150
1.200
1.250
Refractive Index @405nm
1.300
8
密度と屈折率
Refractive index @405nm
1.300
Pinhole Drying
Reference
1.250
1.200
1.150
n = 1.0031 + 0.2599ρ
r = 0.9961
1.100
シリカエアロゲルの
密度と屈折率の関係
n = 1 + 0.25ρ
1.050
1.000
0.000
0.200
0.400
0.600
0.800
Density [g/cm3]
1.000
1.200
9
収縮度合いと屈折率
1.300
1.051(Methanol)
1.045(DMF)
1.047(DMF)
1.051(DMF)
1.057(DMF)
calculated(1.051)
calculated(1.045)
calculated(1.047)
calculated(1.057)
1.200
@405nm
Refractive Index
1.250
1.150
1.100
n-1=(n0-1)s-3
1.050
n0 : 収縮しない場合の屈折
率
s : 元の長さを1とした場合の
1.000
0.50
0.60
0.70
0.80
Length Contraction s
0.90
1.00
収縮後の長さ
10
低密度エアロゲルの開発
～フレーム構造法～
（硬いゲルで囲んで収縮抑制）
フレーム構造法～低密度エアロゲルの製法～
2層式の応用
フレーム構造
テフロンシート
収縮率の小さなアルコゲルで型を形成する
内部に成型したアルコゲルは収縮が抑えられる
低密度エアロゲルの実現
ガラスケース・プレート
エタノール溶媒
エタノール超臨界乾燥
12
低密度エアロゲルサンプル
二層構造 (1.001)
二層構造 (1.0025)
3
密度 : 0.01227±0.00001 g/cm密度 : 0.01656±0.00008 g/cm3
（屈折率 1.0031 相当）
（屈折率 1.0041 相当）
厚さ : 19.0mm → 11.5mm (61%)厚さ : 19.0mm → 14.0mm (74%)
フレーム構造 (1.001)
密度 : 0.00880±0.00008 g/cm3
密度測定
（屈折率 1.0022 相当）
13
まとめ
ピンホール乾燥法により、屈折率が1.1~1.3で、
20~25mmという高い透過長をもつエアロゲルを製作可
能になった。
高エネルギー実験だけでなく、原子核実験などでの利用に期待。
フレーム構造法により、密度0.01g/cm3を下回るエアロゲ
ルを初めて製作できた。
宇宙塵捕集材としての利用を目指す。
標準製法と2つの新製法により、気体と液体の間の屈折
率をシリカエアロゲルでほぼ埋めることができる。
14

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