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2021.08/01 高純度SiC

自動車の電動化とともに伸びているのが高純度SiCのマーケットである。パワー半導体はSiCウェハーが必須となるが、その他のSiウェハーを用いた半導体でもその治工具には高純度SiCが使用される。

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特にSiウェハーでは大口径化とともに必要となった、たわみ防止のためのダミーウェハーが高純度SiCを用いて作られるので高純度SiCをホットプレスしただけの安価な円盤が高価格で取引され、製造メーカーは笑いが止まらないかもしれない。

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SiCの治工具を製造するときに高純度カーボンで製造する方法や、やや純度の低いSiCで製造する方法、反応焼結体で製造する方法もあるが、いずれも表面にはCVDを用いて高純度SiCで被覆する。

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高級品はすべて高純度SiCで製造された治工具であり、表面だけを被覆した治工具よりも耐久性が高い。表面だけ高純度化した製品では、一部欠けただけで使用できなくなるので管理も大変である。

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この高純度SiCを製造する方法として、純度の低いSiC粉体を何段階かの洗浄プロセスにより洗浄して高純度化する方法があるが、この方法ではせいぜい99.9%程度までしか高純度化できないと言われている。

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さらに高純度化したい場合には、高純度化された原料が必須となるが、セラミックス原料ではその高純度化にコストがかかり現実的ではない。そこに着眼した技術が、有機物を原料として用いる方法である。有機物であれば高純度化にコストはセラミックスほどかからない。

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40年以上前にここに気がついた研究者がいたが、すべて有機物の原料を用いる方法が難しく、カーボン源として高純度カーボンを用いて、Si源に有機物を用いる方法と、カーボン源に有機物を用いて、Si源に高純度シリカを用いる技術が開発されていた。

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なぜすべて有機物を原料とした技術が実用化されなかったというと、高分子を少しかじられた方ならピンとくるかもしれないが、フローリー・ハギンズ理論により科学的に証明される相分離が起きて原料として使えなかったからだ。

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科学的思考は重要であるが、科学に思考を支配される必要はない。ここで技術的に思考すれば均一に混合する機能と均一に混合された材料の状態を固定化する機能を開発すればよい。

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40年以上前にポリウレタンの合成にリアクティブブレンド技術が実用化されていたので、それを用いればできるかもしれないと当方は考えて実験し成功した。

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この技術の成功要因は、思考から実験まですべて技術的方法により実行した点にある。科学の無かった時代では、確率が低い方法だったが、科学の進歩した現代ではデータ駆動による開発手法マテリアルインフォマティクスを使用して成功確率を上げることができる。詳細は弊社に問い合わせてください。

カテゴリー : 一般 電気/電子材料

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2021.06/28 材料の強度(1)

強度が弾性率と靭性をパラメーターとする関数、という経験知を3回に分けて紹介した。これは、セラミックスや金属、高分子すべての材料開発を経験してたどり着いた経験知である。また、当方以外にこのような経験知を身に着けている技術者は多い。

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弾性率について科学では物質固有の値があるという前提であるが、靭性については、未だに議論されているパラメーターである。かつてK1cという応力拡大係数が話題になった。金属やセラミックスでは、弾性率よりもばらつきが大きいが、欠陥との相関が認められ、形式知として検討されていた。

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ちなみに靭性値は弾性率と欠陥サイズ、欠陥の存在確率で決定されるらしい、というところまでたどり着いた。しかし、これでは科学の形式知にはならない。

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それでも、サンプルの強度試験サンプルの厚みが薄くなると、強度があがる現象、すなわち厚みが薄くなると破壊しにくくなる現象をうまく説明できた。

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ただ、高分子材料では、この靭性値のばらつきが、金属やセラミックスよりも極端に大きく、その原因を科学的に説明できなかった過去がある。ゆえに未だ形式知とはなっていないが、経験知としては使用可能なので、シャルピー衝撃試験やアイゾット衝撃試験として、採用されている。

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靭性値は形式知ではないが、最初に述べたように、材料の強度を説明するために必要なパラメーターである。ゆえにJISやISOでその計測方法やサンプルの作成方法などが細かく規定され、測定することが推奨されている。

カテゴリー : 一般 電気/電子材料 高分子

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2021.04/06 新サービス準備中

1980年代の材料科学のイノベーション、セラミックスフィーバーから40年近く経ちました。今デジタル化と脱炭素社会という二極化で材料分野のイノベーションが求められています。

セラミックスフィーバーでは、セラミックス材料という明確なオブジェクトが存在し、のちにナノテクの潮流を引き起こす超微粒子化とそのプロセシング開発という明確な課題が見えていました。

今回のイノベーションでは、デジタル化と脱炭素化という二大潮流が具体的なゴールを示さないままうねりながら押し寄せており、何もしなければ、誰も見たことのない未来へ流されてしまいます。

すなわち、潮流は明確ですが具体的なオブジェクトや課題が不透明です。すでにガブリエルにより「不確実性の時代のはじまり」とか、ドラッカーの遺作「ネクストソサエティー」には「誰も見たことのない世界が始まる」とか警鐘を聴かされましたが、答えは見えてきませんでした。

弊社では電子出版というサービスで提案を行いましたが大失敗しまして10年が経過しました。改めて事業を定義しなおすとともに新たな事業を計画中です。

現代の潮流の一つに見えない課題をビッグデータを活用して具体化し、そのソリューションを提供するビジネスを生み出す流れがあります。また材料分野に限れば、マテリアルインフォマティクスというデータマイニングが行われています。

まず、この潮流に応えるためにどこでも誰でも使える多変量解析のプログラムを弊社サイトで提供させていただきます。さらに順次このプログラムを活用し、どのように新しい企画やサービスを考えたらよいのか、事例をご紹介してゆきます。ご期待ください。

カテゴリー : 一般 電子出版 電気/電子材料 高分子

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2021.04/02 ホスファゼンの使用方法

ホスファゼンは量産使用であれば2000円/kg前後である。中国で樹脂生産を行うならば、それ以下で入手可能だ。

しかし、中国でBDP類似難燃剤が400円/kgで入手できることを考慮するとリン単価として捉えたときに高価な難燃剤となる。

しかし、リン系難燃剤とホスファゼンを組み合わせて使用すれば、安価なリン系難燃剤だけで材料設計するよりも品質が高く経済的な難燃性樹脂を開発できる。

これも当方のセミナーでデータを公開しているが、タグチメソッドのSN比でホスファゼン併用系は、リン酸エステル系難燃剤単独使用よりも3dBの改善効果がある。

3dBとは1000倍である。タグチメソッドによらなくてもこの結果を確認することができ、組み合わせることにより使用量を減らすことが可能となるので、樹脂の力学物性にも好ましい効果を期待できる。

ただし、これを実際に実現しようとすると幾つか細かいノウハウを獲得する必要がある。これも当方のセミナーで公開しているが、関心のあるかたは問い合わせていただきたい。弊社からホスファゼンをご購入の方にはそのノウハウも伝授いたします。

カテゴリー : 一般 電気/電子材料 高分子

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2021.04/01 ホスファゼンによる難燃化機構(1)

高分子材料を難燃化するときにホスファゼンを用いる方法として、添加型と反応型の2種類の方法がある。前者はただホスファゼンを高分子マトリックスに分散する方法である。後者はホスファゼンを官能基で修飾し、高分子マトリックスに反応させて組み込む方法である。

反応率が100%を前提にすると後者では、分子レベルで分散していることが保証される、という理由で最も分散状態が良い方法となる。

ポリウレタンの難燃化でこの仮説を確認し、その成果は欧米の学会誌に掲載されている。すなわち、ホスファゼンを反応型で用いてポリウレタンを難燃化した時に、ホスファゼンの分散状態を分子レベルで実現した難燃化効果が得られ、それは添加型でポリウレタンを難燃化するよりも少ない添加量でポリウレタンを難燃化できる、というのは形式知である。

この形式知から、ポリウレタンを難燃化するとき(例えばLOIが21以上という条件)に必要なリン原子の最低量を求めることができる。この値は、他の樹脂をリン系難燃剤で難燃化した時に、一つの基準となる。

すなわち、分子レベルで分散されたホスファゼンの難燃化効果は、ポリウレタンを難燃化するのに(例えばLOIを21以上にするために)最低限必要なリン原子濃度(A%)という見方ができる。

例えば他の樹脂にリン系化合物を添加してLOI>21を実現したいときに必要なリン系化合物の量は、A%を基準に考える事ができる。二軸混練機で分散する場合には、L/Dが小さい場合に反応型で100%の反応率を得ることが難しい。

ゆえに、大抵はAから予想される添加量よりも多く必要になる。これ以上の議論は相談していただきたいが、高分子の難燃化技術では、難燃剤の添加量をどこまで減らすことができるのかどうかは、コストと物性の観点で重要な問題となる。

カテゴリー : 一般 電気/電子材料 高分子

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2021.03/30 ホスファゼンの難燃化効果

ホスファゼンは、リン系難燃剤の中で比較すると添加重量当たりで高い難燃効果を示す。当方の経験知では、赤燐よりも添加効果は高くトップに位置づけられると思っている。

ホスファゼンの高い難燃効果は、他のリン系化合物よりもリンの含有率が高いこととその分子構造にある、と推測している。間接的にそれを証明するデータを当方のセミナーでは開示し説明している。

リンの難燃化作用機構についてはその炭化促進触媒効果が有名であるが、ホスファゼンには、その作用機構だけでは説明できない効果も存在する。

燃焼時の現象を見てもそれが顕著に現れる。40年以上前に硬質ポリウレタン発泡体で実験を行っているが、燃焼時の発煙が極めて少ないのだ。

これは、赤燐も含めリン系難燃剤は、燃焼時にオルソリン酸を発生する。オルソリン酸は240-250℃に沸点が存在するので、高分子材料の燃焼後の灰を分析してもほとんどリンは検出されない。

ところが、ホスファゼンで難燃化した高分子材料では、燃焼後の灰の中に添加したホスファゼンの90%以上に相当するリン原子が残っている。

これは熱重量分析を空気中と窒素中で行って観察しても確認することができる。600℃前後の重量残存率が、ホスファゼン添加系ではホスファゼンの添加量と相関するのだ。

すなわち、ホスファゼンを難燃剤として用いたときに他のリン系難燃剤と大きく異なるのは、燃焼時に揮発することなく燃焼しているその場にとどまり炭化促進触媒として機能していることだ。

ただし、これは科学的に完璧に証明されたことではないが、当方は燃焼時のガス分析や燃焼後の残渣分析などを行い、経験知として結論を出している。

カテゴリー : 一般 電気/電子材料 高分子

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2021.03/27 配合設計技術

昨日SiCを事例に当方の体験を書いたが、機能を追求した材料の配合設計技術について開発の余地がある。

 

 

今この技術について当方の体験を公開しようと企画準備を進めているが、マテリアルインフォマティクスの提案がアカデミアからある。

 

 

ただしこれはAIを活用したデータマイニングであり、どうしても大規模化する。当方の体験談は、科学的ではないが科学のツールを活用してヒューリスティックな解を得る方法である。

 

 

同様の手法は、山中博士も用いられノーベル賞を受賞されている。当方の仕事では、せいぜい日本化学会賞どまりであるが、それでも手法の成果は事業に有益な情報をもたらした。

 

 

例えば電気粘性流体の耐久性問題では一晩でその解決法を提示している。また、3種の粒子は、電気粘性流体の性能を飛躍的に向上し、実用化への道を開いた。

 

 

昨日のSiC切削チップは残念ながら実用化できなかったが、同様の手法で写真会社退職前に行ったリサイクルPETを電子写真機の内装部品応用した技術では、再度その有効性を確認できた。

 

 

その他、中間転写ベルトや帯電防止技術、高分子の難燃化技術など人間の脳を活用したデータマイニングで得られたヒューリスティックな解が事業に貢献している。

 

 

人間の脳は品質ばらつきが大きいが、科学的ツールを用いるので、多少品質の悪い脳でも同じ結果が得られる。

 

 

そもそもQC7つ道具という手法は中卒レベルが獲得している形式知を基準にしているので、当方の手法も同レベルの形式知があれば十分な成果を出すことが可能である。

カテゴリー : 一般 電気/電子材料 高分子

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2021.03/25 SiC基多成分セラミックス

高純度SiCの事業化を進めているときに、SiCの分野で世界初の材料はできないか、という極めて難解な問題を上司から出された。

 

このようなわけのわからない指示を受けたときに、新入社員時代にはいろいろ質問をしたりしていたのだが、上司がよく理解していないのでこのような指示になる、と悟ってからは、部下を鍛えるありがたい仕事と思うようになった。

 

さて、どこがありがたいのかというと、問題そのものが抽象的なので回答の自由度が高い点である。すなわち、これは、SiCが入っておれば世界初である限り何でもよい、という問題だ。

 

そこで、切削時に発生する高温度で鉄と反応するのでSiCでは鋳鉄を削ることができない、と言われていたことを思い出し、鋳鉄を削ることができるSiCならば世界初になると考えた。

 

「SiC基切削チップの開発」というのが当時提案した企画であるが、この企画の内容を科学の常識に反するので世界初、などと説明したらつぶれることが分かっていたので、「世界初のマルチコンポーネントセラミックス」というコンセプトをでっち上げた。

 

2-3種類のカーバイドからなるセラミックスについては相図から予想がつくが、4成分以上になると研究事例がない大変難しい配合設計作業となる。

 

今ならば、ビッグデータをコンピューターに放り込み、AIに考えさせてデータマイニングする手抜きができるが、当時は、まだMS-DOSの時代である。

 

詳細にご興味のあるかたは問い合わせていただきたいが、計画的な試行錯誤法、いわゆるデータ駆動による配合設計で鋳鉄を削ることができるSiC基多成分セラミックスを開発し成功した。そして、この材料を切削チップの形状に加工した。

 

これを当時の東京工業試験所に持ち込みご評価いただいたところ、既存のサーメット切削チップよりも鋳鉄を長時間切削加工できたのでびっくりした。

 

抽象的な問題から実用的な切削チップとの評価を頂くまで、4カ月程度だった。タグチメソッドも効率よく実験を進めることができるが、当方の編み出したデータ駆動配合設計手法は、さらに効率が良い。

 

カテゴリー : 一般 電気/電子材料

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2021.02/27 高分子の難燃化技術を考える(17)

高分子材料が着火した時に空気中で自己消火性を示す材料設計手法には2種類あり、一つは炭化促進型材料設計手法で他の一つは溶融型材料設計手法である。

前者の考え方で設計された材料ではLOIが21以上となるが、後者の設計では常にLOIが21以上とならない。

LOIが21以下であっても溶融型材料設計手法で開発された材料は、自己消火性を示しUL94-V2あるいはH試験を通過する。

すなわち溶融型材料設計手法で難燃化された材料を垂直に立てて、炎を上部から近づけると自己消火性を示さない場合がある。

これに対して、炭化促進型材料設計手法で難燃化された材料は、どのような位置から炎を近づけても空気中で自己消火性を示す。

40年ほど前には、これ以外に加熱されると大変形を起こす材料も難燃性材料とされたが、現在はこのような観点で材料設計をする人はいない。

少し考えれば、火災時に難燃性を示さないことが想像されるのに、アカデミアの研究者の中には、学問的興味からこのような問題のある難燃化手法を広めた先生がおられる。

問題が起きてから黙ってしまわれたのは、無責任極まりないが、この先生のアドバイスを受けて、かつて台所用天井材が開発された歴史がある。

当方が高分子の難燃化技術を担当した時には、まさに市場の火消をやっている最中だった。安全靴とヘルメット、作業着を抱え、定期的に筑波にある建築研究所まで通った思い出がある。

カテゴリー : 一般 電気/電子材料 高分子

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2021.02/26 WEBセミナーのご案内

ゴムタイムズ社主催のWEBセミナー

高分子材料の難燃化技術と配合設計

が3月11日10時30分から予定されている。参加費は1名あたり、45000円となりますが、弊社へお申し込み頂ければ、小生の著書「ポリマー混練り活用ハンドブック」(¥4800:消費税抜き)を1冊謹呈させていただきます。

 

今回のWEBセミナーの特典として、後日無料相談会をWEBで開催することも計画しています。これはゴムタイムズ社とまだ調整できていませんので当日詳細を発表いたしますが、交通費がかからないWEBセミナーの長所を生かしたいと思っています。

 

高分子材料の難燃化技術は、形式知よりも経験知の比重が大きい技術領域であり、また、難燃性評価装置が無い場合にどうしたらよいのか、と言った問題にもお答えしたい。

 

過去に天秤しか存在しない会社で、ある材料の難燃化技術を3日間で完成させた。用いた評価法は、コンビニで購入したライターである。

 

これは特殊なケースであり、いつも成功するとは思っていませんが、経験知の比重が高い技術ゆえに可能だったと思っています。

 

セミナーでは、難燃化技術の概論だけでなく当方の学生時代の研究成果やゴム会社での研究成果で学術雑誌に掲載された事例や、未公開の事例なども含め科学から技術まで当方の経験を幅広くご説明いたします。

 

講演で使用する当方の研究開発事例

1.ホスファゼン変性ポリウレタン

2.ホウ酸エステル変性ポリウレタン

3.PVAの難燃化

4.フェノール樹脂・TEOSナノ複合材料(高純度SiC前駆体でもある)

5.PC/ABSの難燃化

6.PET基ポリマーアロイの難燃化

7.混練技術と難燃化

8.ホスファゼン環鎖状ポリマー

9.マテリアルインフォマティクスによる配合設計

 

カテゴリー : 一般 学会講習会情報 宣伝 電気/電子材料 高分子

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