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

利用激光掺杂形成的杂质掺杂层开发氢气阻隔功能

• 批准号: 21K04662
• 负责人: 信太 祐二
• 金额: $ 2.58万
• 依托单位: Hokkaido University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K04662/
• 关键词: レーザードーピング; ステンレス鋼; 水素透過; ガスバリア; 表面改質; 水素ガスバリア; 不純物層

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。

氢很容易通过金属渗透，因此对抑制金属氢存储容器的渗透和泄漏的功能的需求不断增长，以及所谓的氢气势垒功能。涂料陶瓷膜和其他材料的主流技术被用来抑制氢渗透，但是涂层方法具有潜在的弱点，例如开裂和剥离。这项研究旨在开发一种通过利用防止碳杂质传递的特性来减少不锈钢中氢渗透的方法，该方法被广泛用作氢容器。该方法还具有可以与涂料方法结合的优点，该方法可以将其更改为难以渗透的特性。在这项研究中，我们首先试图通过用ND-YAG激光（脉冲宽度：10 ns，10 Hz）在乙醇中照射不锈钢来浓缩碳。激光的通量更改为0.5-6J/cm2，辐照时间为1-6s。对于这些样品，将碳掺杂的表面暴露于400°C的氘气中，并通过检测到对另一侧的氘渗透来测量氘渗透，并使用四螺极质量分析仪保持在高真空状态。当固定激光照射时间3 s并且将通量更改为0.5-6J/cm2时，当通量为1J/cm2时，传输速度最大。此外，当固定在1J/cm2并将辐照时间从1-30变化时，当照射时间为3s时，传输速度最大。当使用Glow放电排放分析检查掺杂碳的深度分布时，辐射时间为1J/CM2的掺杂量最高，而辐射时间为3s，并且掺杂量随着1J/CM2的辐射时间增加而增加，对于1J/CM2的辐射时间增加。从上面可以发现，碳掺杂量和渗透率降低程度不一定是正相关的，并且存在适当量的掺杂量。