Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

界面 / はく離 / 破壊じん性 / 薄膜 / 界面結合力モデル / はく離強度 / 劣化

近年,高機能化・軽量化・高強度化などの目的から,種々の材料を組み合わせた接着・接合構造や複合材料の利用が活発に進められている.2つの異なる材料を接合する場合,その接合形態により接合部に2つの材料が合わさった中間層(拡散層)が存在することがある.拡散層の機械的挙動は非接合材とは異るため,その機械的特性を十分把握した上でマイクロ接合部の強度を議論する必要がある.そこで本研究では,拡散層の成長とそれが及ぼす界面強度への影響について明らかにすることを目的としている.
本年度は,界面強度を定量的に測定する実験方法の確立と,微小圧子押込試験による拡散層の機械的特性の測定を行った.
1.界面強度を定量的に評価する方法として,マルチステージピール試験法を提案した.PETフィルム上に形成したITO薄膜の界面付着強度を評価した.環境雰囲気による界面強度の変化を調べるために,120日間紫外線を暴露した試験片についても界面付着強度を調べた.その結果,紫外線を暴露すると,界面付着強度が大幅に低下することが示された.
2.2枚の銅板をはんだ材で接合した試験片を恒温槽中で一定期間時効させた後,除荷・冷却し,ナノインデンテーション法により拡散層周辺の押込試験を行い,硬さ・弾性係数などの機械的特性を調べた.その結果,厚さ1ミクロン程度の金属間化合物層の機械的特性を評価することができた.
3.界面の力学的挙動を表す構成式を損傷力学をもとに構築した.そして,速度依存損傷モデルと粘塑性型構成式を提案した.

界面 / 破壊クライテリオン / はく離 / 界面酸化層 / 鉛フリーはんだ / 遮熱コーティング / 非破壊検査 / Love波 / インデンテーション / 原子間力顕微鏡 / 界面モデル / 高分子 / セラミックス / 破壊じん性 / 薄膜 / コーティング / 界面結合モデル / 破壊靭性

異種材料の接着・接合ないし複合材料が幅広く利用さるようになってきており,それらの強度について,より信頼性の高い評価が求められている.さらに,接着・接合界面には,種々の微視組織・構造が形成されており,これらのミクロな階層を考慮した強度則の確立が必要である.本研究では,異種接合材料の界面破壊を支配するパラメータについて検討を行い,ミクロ階層構造を考慮した接着・接合界面強度の一般化クライテリオンを確立することを目的としている.
初めに理論的手法として,接合界面に存在する切欠き先端の応力特異性を求める一般解を導出した.次に,界面損傷モデルを用いた数値シミュレーションにより,界面破壊のクライテリオンについて明らかにした.続いて,界面のミクロ組織の変化と界面における機械的強度との関係について,遮熱コーティング材における界面酸化層の成長について検討し,酸化層成長モデルを提案した.次に,半導体デバイスで用いられている鉛フリーはんだ接合部について,熱時効によるはんだ接合界面における組織変化と疲労強度との関係について明らかにした.次に,紫外線暴露による高分子フィルムの劣化と高分子フィルム上に形成したセラミックス薄膜の付着強度との関係について明らかにした.続いて,界面強度試験及び評価方法を提案した.マルチステージピール試験法を提案し,銅薄膜の付着強度評価を行った.次に,エッジ部に圧縮とせん断力を負荷する界面混合モード破壊試験法を提案し,遮熱コーティング材の基材との界面強度評価へ適用した.次に,MEMS材料などで多用されている金属薄膜の付着強度について,ブリッジ型の試験片を用いた評価法を提案した.最後に,界面特性の非破壊評価として,圧電材の積層構造中を伝播するLove波の伝播特性に着目して,界面が損傷を受けるとLove波の位相速度が変化することを,理論的・実験的に明らかにした.

【研究分担者】
井上裕嗣	東京工業大学	大学院・理工学研究科	助教授	(Kakenデータベース)
大宮正毅	東京工業大学	大学院・理工学研究科	助手	(Kakenデータベース)
荒井正行	電力中央研究所	金属材料部	主任研究員