製造されたセラミックスは、人類の最初の技術的成果の 1 つであり、数千年経った今でも、その用途の範囲は陶器製品をはるかに超えていますが、特に目標が細孔を達成することである場合、処理制御は依然として大きな課題です。 -無料 材料、光学用途 (レーザーや装甲窓など) に必要な条件。
完全に高密度の部品を処理する際の重要な (ほとんどの場合) 制限ステップは、いわゆる焼結です。これは、セラミックが強力な粘着部品になるように高温に加熱するための技術名です。もう少し説明します。通常、成形のために溶融または変形できる金属とは異なり、セラミックは、成形のために水と混合することができますが、粒子が結合して細孔が除去されるように加熱する必要がある粘土などの粉末として始まります。焼結の駆動力は、2 つの水滴を組み合わせて自然に大きな 1 つの水滴にするのと同じ、表面張力です。セラミックスは融点が高いため、融解するのではなく、十分な熱を与えて 2 つの粒子の原子が表面から結合し、細孔がなくなるように十分な熱を与えるために、非常に高い温度が必要です (3 つの角氷が触れていると想像してください)。三角形を形成します:室温で:それらは互いに結合し、その間の空隙がゆっくりと消えます)。
セラミックスでは、組成によっては気孔をなくすことが非常に難しいという問題があります。これは、依然として純粋に経験に基づいて解決されている主要な技術的課題につながります。 1950 年代の理論では、質量輸送メカニズムが組成と温度によって異なることを示唆することで、なぜそうなのかを説明しようとしました。これらのメカニズムの中には、細孔の除去に有利なものもあれば、そうでないものもあります。これらの理論は依然として広く受け入れられていますが、問題を大幅に単純化しすぎていることが含まれています。一部はプロセスの理解の制限によるものであり、一部は提案された分析モデルの実際の解を計算するコンピューターの能力の欠如によるものです。実際、そこで想定される最大の単純化の 1 つは、熱力学的駆動力が一定であるということです。
つまり、表面エネルギーが駆動力であり、この数値は一定であり、不純物などの影響を受けません。もう 1 つの過度の単純化は、プロセスの制御における粒界エネルギー (焼結中に 2 つ以上の結晶粒子間に形成される新しい界面) の役割を見落としていることです。
中国の NPU と協力している UC Davis のチームは、この問題に取り組み、焼結の熱力学と動力学の両方が焼結中に変化し、その組成に厳密に依存するという理論的枠組みを開発しました。そして粒界は、プロセス開発に大きな影響を与えます。これにより、焼結助剤としての不純物の設計を理解して有効にし、完全な高密度化と微細構造の制御 (例:粒子サイズ) を誘導する展望が開かれます。このモデルから発見された最大のものの 1 つは、熱力学 (つまり、表面と粒界の両方のエネルギー) が、以前に認識されていたよりもはるかに関連性があり動的であり、焼結の最適な設計の鍵を握ることができるということです.
彼らは、粒子成長と緻密化の間の相互相互作用を報告しています。これは本質的に、これらのプロセスの連動した駆動力に依存します。表面エネルギーは粒子成長の駆動力に正に寄与し、粒界エネルギーは緻密化の駆動力に負の影響を与えます。これは、好ましい熱力学的シナリオを作成するために不純物 (別名ドーパント) を選択することによって高密度化を改善する賢明な戦略を示唆しています。
これらの調査結果は、「ドープ セラミックスの最終焼結段階のモデル化:粒子成長と緻密化の間の相互作用」というタイトルの記事で説明されており、Journal of Materials Science に掲載されています。 .
