レーザードーピングで形成される不純物ドープ層を利用した水素ガスバリア機能の開発

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水素は金属を透過しやすいため金属製の水素貯蔵容器などからの水素透過・漏洩を抑制する機能，いわゆる水素ガスバリア機能の需要が高まっている。水素透過を抑制する技術としてセラミック膜などをコーティングする手法が主流になっているが，コーティング法はクラックや剥離などの潜在的な弱点が存在する。本研究では，炭素不純物が水素の移動を妨げる性質を利用し，水素容器として広く使用されているステンレス鋼の水素透過を低減させる手法の開発を目指している。この手法は金属そのものを水素が透過しづらい性質に変えることができ，コーティング法と組み合わせることができるというメリットもある。本研究ではまず，エタノール中でステンレス鋼に対しNd-YAGレーザー（パルス幅～10ns，10Hz）を照射することで炭素のドープを試みた。レーザーのフルエンスを0.5-6J/cm2，照射時間1-6sと変化させて照射した。これらの試料に対し，炭素ドープ面を重水素ガスに400℃で曝し，高真空に保った反対側に透過した重水素を四重極質量分析器で検出することで重水素透過を測定した。レーザー照射時間を3sで固定しフルエンスを0.5-6J/cm2と変化させた場合，フルエンスが1J/cm2の場合にもっとも透過速度が減少した。また，フルエンスを1J/cm2に固定し照射時間を1-30sまで変化させた場合，照射時間が3sの場合に最も透過速度が減少した。ドープした炭素の深さ分布をグロー放電発光分析で調べたところ，照射時間3sの場合は1J/cm2の場合にドープ量が最も多く，フルエンス1J/cm2の場合は照射時間の増加とともにドープ量が多くなった。以上から，炭素のドープ量と透過速度の減少度合いは必ずしも正の相関があるわけではなく，適切なドープ量が存在することがわかった。