NEDOなど、熱膨張が小さな樹脂複合材料ペレットの量産化に成功

2012年2月10日 19時49分

新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)、名古屋大学(名大)、理化学研究所(理研)、高純度化学研究所(高純度研)などからなる研究グループは2月9日、大きな「負熱膨張特性」を示す「マンガン窒化物」を熱膨張抑制剤として配合した「樹脂複合材料ペレット」(画像1)を、産業利用に対応できる100kgレベルで製造することに成功したと発表した。

NEDOの若手研究グラント(産業技術研究助成事業)の一環として、名大兼理研客員主管研究員の竹中康司准教授が高純度研と共に開発したもので、成果は2月15日から17日に東京ビッグサイトで開催される「nano tech 2012 国際ナノテクノロジー総合展・技術会議」で展示される予定だ。

近年における産業技術の高度な発達は、熱膨張といういわば固体材料の宿命ともいえる性質すら、制御・抑制することが求められている。

物質の熱膨張を代表的な材料である鉄で見てみると、線膨張係数α(固体の熱膨張特性を表す指標)が12ppm/℃だ。

これは、長さ10cmの鉄棒が、温度が1℃上がると1.2μm伸びることに相当する。

一般的な感覚からすればわずかではあるが、もはや半導体デバイス製造や、部品のわずかな歪みが機能に深刻な悪影響を与える精密機器などの分野ではナノオーダの精度が求められており、この程度のわずかな伸びでも致命的になってしまう。

また、複数の素材を組み合わせたデバイスでは、構成素材それぞれの熱膨張の違いから、界面剥離や断線といった深刻な障害が生じることがある。

このため、例えば加工機械、半導体製造装置、光学機器、計測機器、電子デバイスなど多くの産業分野で、近年は熱膨張制御への強い要請が出ているというわけだ。

最近精力的に研究開発が展開される熱電変換や燃料電池といったエネルギー・環境技術についても、それらの機能安定化のためには熱膨張制御が必須とされている。

竹中准教授らは、2005年に「逆ペロフスカイト」という構造を持つマンガン窒化物「Mn3XN」(画像2)が、室温で大きな負熱膨張特性を持つことを発見した。

負熱膨張特性とは、一般とは逆に、温度が上がると縮む性質のことを指す。

この負熱膨張性マンガン窒化物には上記組成のXとして、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)などを含む材料系があり、これまで原料コストや製造の容易さから銅系が主流だった。

これに対して竹中准教授らは、銅系マンガン窒化物よりも大きな負熱膨張特性を持つものの、製造途中での亜鉛揮発により大量合成が難しかった亜鉛系に着目し、その製造技術開発を進めてきた。…