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論文題目「金属ナノ粒子合成における水素アークのアノードジェットの影響」

清水 佑

金属ナノ粒子合成法の一つに,水素アークを用いる手法がある.プラズマ中で解離した水素が溶融金属中に溶け込むことによって,金属の蒸発が促進されると考えられている.また,水素アークで特定の金属を溶融した場合,アノードジェットと呼ばれる陽極からのプラズマ流が発生することがある.本研究では陽極にナノ粒子の原料となる金属を用いることでアノードジェットの工業的な応用を考える.さらに,水素アークによる蒸発促進機構の解明を目的とし,金属水素化物の生成による化学的な蒸発促進機構の検討と,アノードジェットを制御することで物理的な蒸発促進機構の検討を行う.さらにアノードジェットを制御することで効率的なナノ粒子合成プロセスを検討した.

まず,プラズマ発光分光分析により,Ni材料の水素アーク処理による金属水素化物の生成の確認と,化学的な蒸発促進機構を検討した.観察の結果,NiHの発光が確認された.相対強度の検討から,アノードジェットの発生源で特にNiHの相対強度が強いことがわかった.

次に,二次元透過型回析格子を用いたイメージング分光によって,アノードジェットの状態による,Hの発光とNiの発光の存在分布を調べた.アノードジェットが強く発生する際には,アノードジェット中にHが存在していることがわかった.

また,高速度カメラにバンドパスフィルタを取り付け,HとNiの発光挙動を分けて観察を行うことで,アノードジェットのみを可視化することに成功した.得られた画像を解析した結果,水素濃度を上げることで,アノードジェットの発光領域が大きくなり,Niの蒸発速度も大きくなるという傾向を確認した.これは,水素濃度が増加することで,アノードジェットの発生モードが変化し,熱流束が高くなることが原因だと考えられた.さらに,シールドガスという陰極周辺を流れるガス流をつくることで,アノードジェットの発生点が一定になり,アノードジェットの挙動が安定することを明らかにした.

最後に,アノードジェットを利用して合成されたNiナノ粒子の観察を行った.アノードジェットを制御することでナノ粒子の粒径や粒径のばらつきなどの特性を制御することができた.水素アークを用いることで,60倍の生産量を得られることも確かめた.

本研究では,水素アークの化学的・物理的な蒸発促進機構を検討し,アノードジェットの制御を行った.水素アークによるアノードジェットの発生はナノ粒子合成における魅力的な手法であることがわかった.


研究論文

国際学会

  • Feng Liang, Tasuku Shimizu, Manabu Tanaka, Sooseok Choi, and Takayuki Watanabe: Preparation of Graphite Polyhedral Particle by Transferred Arc Under Atmospheric Pressure, P3111C, 4th International Symposium on Advanced Plasma Science and Its Applications for Nitrides and Nanomaterials (2012.3.7 Nagoya).
  • Manabu Tanaka, Tasuku Shimizu, Feng Liang, and Takayuki Watanabe: Anode Jet Characteristics of Argon-Hydrogen Arc under Atmospheric Pressure, The 12th High-Tech Plasma Processing Conference, PS1.34 (2012.6.26 Bologna, Italy).
  • Takayuki Watanabe, Manabu Tanaka, Tasuku Shimizu, and Feng Liang: Anode Jet Characteristics of Argon-Hydrogen Arc for Nanoparticle Production, Proceedings of 9th International Conference on Fluid Dynamics, p.692-693 (2012.9.20 Sendai).
  • Takayuki Watanabe, Manabu Tanaka, Tasuku Shimizu, and Feng Liang: Metal Nanoparitce Production by Anode Jet pf Argon-Hydrogen DC Arc, Abstract of 2012 International Conference in Manufacturing Engineering and Technology for Manufacturing Growth, p.13 (2012.11.1 San Diego, USA).

国内学会