反応性溶射による窒化物セラミックス成膜技術の開発

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窒化アルミニウム(AIN)はセラミックス特有の高い絶縁性と耐食性に加え、金属と同様に高い熱伝導率を有することから、各種電気・電子分野での適用が期待されている。しかし、AINを層として形成するのに有効な溶射法ではAINが融点を持たずに分解してしまうため、適用することが不可能である。そこで本研究では熱プラズマの反応性を利用した溶射法によるAIN皮膜の作製を行うとともに、その反応過程の調査を行った。原料粉末としてアルミニウム(Al)を用いた反応性プラズマ溶射により、安定相である六方晶ではなく準安定相である立方晶窒化アルミニウム(c-AlN)の形成が確認できた。これは反応過程において形成された立方晶のアルミニウム酸窒化物(Al_5O_6N)が急冷凝固して立方晶を維持したまま反応が進んだためと考えられる。金属のAlが酸窒化物の状態を経てAlNになることが明らかになったため、原料粉末としてセラミックス材料であるアルミナ(Al_2O_3)を用いた成膜を行った。これにより、皮膜中への金属成分残留による特性劣化を抑制することも可能になる。実際にAl_2O_3を原料とした反応性プラズマ溶射においてもc-AlN相を含む皮膜の作製が可能であった。その反応過程を調査した結果、プラズマ内を飛行中の粒子表面から溶融し、反応生成物であるAl_5O_6Nを形成していく、その後基材表面に衝突・偏平し、さらにプラズマにさらされることで反応が促進されc-AlNを形成したことが分かった。また、原料粉末の粒径を小さくすることで比表面積を大きくし、反応を促進させることが可能であった。また、AlN粉末を原料に添加、プラズマガス流量を適正化することによっても窒化反応の促進を可能にした。これら成膜条件の適正化により、AlN含有率の高い皮膜の作製が実現した。