セラミックスの本質的な性能を発現させる革新的配向技術 ～グラフェン複合化粒子を用いた低磁場配向技術～ グラフェン複合化粒子を用いた低磁場配向技術 大学院環境情報研究院 教授 多々見 純一 分野・用途 高熱伝導率窒化ケイ素放熱基板、高機能圧電セラミックス、高機能誘電体セラミックスなど 研究概要 セラミックスは配向させる事により 本質的な優れた特性を発揮 160 熱伝導率 率 / W(mK)-1 140 β-Si3N4粒子の熱伝導率 c軸 180W/mK a軸 69W/mK 実際に ３倍弱の向上 倍弱 向上 c軸配向させると 120 100 80 60 40 柱状粒子を c軸方向に配向 20 無配向 0 板厚⽅向に⾼熱伝導率が期待 c軸配向 1 2 配向による熱伝導率向上 従来法の磁場配向技術により 従来法の磁場配向技術に よりC C軸配向させた 軸配向させたSi Si3N4の熱伝導率 グラフェン複合化粒子を用いたSi3N4低磁場配向セラミックス X線回折結果 静磁場で配向可能 S S S 002 0.4T(市販Nd磁石) 20 30 （関連する知的財産権；特願２０１５－０４３８６２） 高耐久性高熱伝導率のパワーデバ イス用放熱板への応用 超伝導磁石 1T 0T 210 N 10T 2T 200 N C軸配向を示す 回折ピーク 101 低磁場で配向可能 110 N グラフェン複合化Si3N4粒子 Intensity / a.u. Si3N4 グラフェン 磁化率、 磁化率、 異方性 小 異方性 大 高磁場必要 低磁場で配向可能 c軸配向に回転磁場 必要 （a< c<0） 40 2θ / ° 50 60 70 SEM観察結果 グラフェン複合化Si3N4粒子 磁場配向セラミックス断面 C軸配向のSi3N4セラミックができれば、 ☆ 板厚方向に高熱伝導率 ☆ 熱疲労特性の向上（高強度化） 他のセラミックス材料への応用も可能！ Si3N4粒子にグラフェン ナノ粒子が被覆 Si3N4針状粒子が配向 本研究の一部は、神奈川科学技術アカデミー（KAST）戦略的シーズ育成事業の支援を受けて行われました。 0 関連した研究成果 透明サイアロン（SiAlON）蛍光バルクセラミックス 典型的な白色LEDの構造 白色光 本技術 透明サイアロンバルク蛍光体 ＝樹脂の不使用 蛍光体 樹脂 樹脂フリーによるLEDの 長寿命化・高輝度化・高出力化を実現！ 【紫外線励起による発光の様子（展示）】 青色・紫色・紫外線LED LEDのトレンド・・・高出力・高輝度化 多彩な発光色 が可能！ ‐SiAlON 高出力化・長寿命化の課題 ‐SiAlON 電力↑ 出力↑ 効率↓ ﾃﾞﾊﾞｲｽの故障 樹脂の劣化 LEDの 寿命低減 黄色、赤色の 蛍光も可能 SiAlON ‐SiAlON ‐SiAlON ‐SiAlON マイクロカンチレバー試験片を用いた局所領域の破壊特性評価 開発した手法 セラミックスの強度・破壊・寿命 マイクロカンチレバー試験片の 局所領域（結晶粒子、粒界、第二相など）の FIB加工 強度・破壊・寿命に支配 しかし、実測は困難！ 本手法の特徴 ○実質的で定量的な材料開発 ⇒材料開発時間を短縮化 ○実部材（損傷・腐食部位を含む）からのサンプリング マイクロカンチレバー ⇒損傷・寿命予測 ○あらゆる材料（多孔体、膜、繊維、粒子等）に適用可能 ⇒高い波及効果 ○手法の標準化 ⇒パラメーター特許の取得による差別化 課題 測定例：Si3N4セラミックス 粒界 焼結助剤 多結晶体 破壊靱性 / MPam1/2 Y2O3-Al Al2O3 1.73±0.52 La2O3-Al2O3 1.63±0.60 Lu2O3-Al2O3 β-Si3N4 単一粒子 焼成条件 1900OC -2h 破壊試験 4000 破壊荷重 2000 荷重変位曲線 1000 0 1800OC -2h 破面観察 2.28±0.37 2.77±0.54 Y2O3-Al2O3 試験片の破壊 3000 Load N Load// mN m 測定対象 負荷 1.92±0.37 0 200 400 600 800 Displacement / nm 1000 有限要素解析 局所領域の破壊特性 （強度・破壊靱性・疲労など） m
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