2019 Fiscal Year Annual Research Report
Highly functionalizing of ceramics with heat resistance and environmental resistance
| Project Area | New Materials Science on Nanoscale Structures and Functions of Crystal Defect Cores |
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| Project/Area Number |
19H05792
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| Research Institution | Japan Fine Ceramics Center |
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Principal Investigator |
北岡 諭 一般財団法人ファインセラミックスセンター, その他部局等, 主幹研究員 (80416198)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中平 敦 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (90172387)
吉田 英弘 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (80313021)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| Keywords | 酸化物 / ポテンシャル場 / 物質移動 / 界面 / 欠陥 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
高温酸素ポテンシャル勾配下：アルミナ等の組成幅のほとんど無いラインコンパウンド型の酸化物膜を高温の酸素ポテンシャル勾配(dμO)下に曝すと、膜表面近傍の酸素の粒界拡散が膜内部に比べて抑制されることがわかった。また、このdμO印加による酸化物イオンの易動度低下は、酸化物イオンが粒内よりも粒界を高速拡散しやすい系ほど顕著であることを明らかにした。さらに、ラインラインコンパウンド酸化物のYbシリケートで構成される多相積層膜に対して、異相界面におけるYbイオンの化学ポテンシャル差を利用した酸素遮蔽性向上の可能性を示した。
高化学ポテンシャル溶媒下：ハイドロキシアパタイト(HAp)などのリン酸カルシウム、炭酸カルシウムを対象として、高化学ポテンシャル溶媒下における反応を利用した機能コアの制御を行った。HApの物性に影響を与える機能コアの生成の時間変動を明らかにし、制御可能にした。また、リン酸カルシウムからHApへの転化プロセスを利用した固化への高化学ポテンシャル溶媒の影響を明らかにした。炭酸カルシウムにおいては表面に生成する機能コアを制御することで、連鎖球状粒子を回収する方法を確立した。
高電磁場：Y2O3、ZrO2、アパタイト系多結晶体をモデル材料として用い、高電磁場下でもたらされる粉末成形体の高速緻密化挙動、発光中心となる欠陥の生成や高温変形を促進する物質輸送の加速、すなわち機能コアの生成を見出した。特に高電磁界の正弦波交流等の波形ならびに周波数の影響は顕著であり、基礎的データの収集と検証を開始した。これら高電磁場下酸化物焼結実験の装置構築を進める一方、計算手法による試料内の温度・電流分布計算の環境を整えた。粒界・界面コア構造の実験および理論的評価・解析においては、蛍光発光の分光分析ならびにA02(ウ)班との連携により高電磁場下で製造した材料における粒界・界面コア構造の解析を開始した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
高温酸素ポテンシャル勾配下：耐熱性酸化物膜に対して酸素トレーサーを用いた高温酸素透過試験を実施し、膜中の物質移動機構を解析するとともに、その情報を基に環境遮蔽性に優れる膜構造について検討した。A02(ウ)班と連携してアルミナ膜(多結晶、双晶)中の酸化物イオンの粒界拡散に及ぼすdμOの影響を評価・解析した結果、dμO印加による酸化物イオンの易動度低下が、粒界密度の大きな多結晶体膜において発現することを示すとともに、易動度低下に影響を及ぼす表面電荷・空間電荷の大きさが、表面粒界密度に強く依存することを示唆した。また、Ybシリケートで構成される多相積層膜においては、高酸素分圧側をYbリッチ層にすることで、酸素遮蔽性が向上することを明らかにした。
高化学ポテンシャル溶媒下：高化学ポテンシャル溶媒下における溶液プロセスにおいて、機能コアの生成制御が可能となってきており、それらが物性に与える影響も明らかにした。具体的には、HApにおいて粒径と機能コアの生成を制御することに成功した。また、CO2ガス吹込溶液プロセスによる炭酸カルシウム合成に関しては、鎖状カルサイト粒子の機能コア組織化に及ぼす影響因子を明らかにした。
高電磁場： 高電磁場下でもたらされる粉末成形体の高速緻密化挙動に加え、発光中心となる非平衡欠陥の生成や、多結晶体の高温変形を促進する物質輸送の加速、すなわち機能コアの生成とそれによる新たな機能発現を見出した。特に高電磁場の正弦波交流等の波形ならびに周波数の影響は顕著であり、機能コアの形成における重要な知見を得た。あわせてシミュレーションによる試料内の温度分布を計算し、高電子場下の熱収支について解析を進めた。粒界・界面コア構造の実験および理論的評価・解析においては、蛍光発光の分光分析ならびにA02(ウ)班との連携により高電磁場下で製造した材料における粒界・界面コア構造の解析を開始した。
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| Strategy for Future Research Activity |
高温酸素ポテンシャル勾配下：高温の環境遮蔽候補素材であるラインコンパウンド酸化物膜に対して、A01(ア)班、A02(ウ)班等との連携研究より得られる情報を基に、引き続き高温酸素ポテンシャル勾配下に曝された膜表面／粒界が関与する物質移動抑制のメカニズムを解析する。また、この物質移動抑制効果や異相界面における拡散種イオンの化学ポテンシャル差を利用することにより、モデル膜の酸素遮蔽性と構造安定性の向上を目指す。
高化学ポテンシャル溶媒下： 初年度の研究で得られた成果を基に、Ca/P比と粒径を制御した新規ハイドロキシアパタイトおよびCO2ガス吹込溶液プロセスによる鎖状炭酸カルシウムの種々の特性評価を進め、さらに微細構造解析を行うことで、より詳細な機能コア構造の解明と制御プロセスの確立を進める。また、これら試料を用いて高電磁場での処理へ展開し、連携研究を進める。さらに高化学ポテンシャル溶媒(水熱・亜臨界・超臨界)下でのリン酸三カルシウム系の硬化挙動の解明を進め、硬化後のハイドロキシアパタイトのモルフォロジーを制御する方法を確立する。この際、連携研究によってキーとなる機能コア構造を明らかにする予定である。
高電磁場：前年度に引き続き、供試材として代表的な酸化物であるAl2O3、Y2O3、ZrO2、アパタイト系等の多結晶体を用いて、高電界下での酸化物の点欠陥・チャージキャリア生成と物質輸送を、粉末成形体の緻密化挙動、微構造形成過程、温度分布計算から定量評価する。また、前年度に緻密化向上および微構造均質化に有効であることが確認された交流波形において、波形ならびに周波数の影響についても検証を進め、コア構造の制御と物質輸送との関連の調査に着手する。粒界・界面コア構造の観察・解析についてはA02(ウ)班との連携を継続し、上記で得られた高電磁場下での物質輸送、微構造形成、並びに、機能コアとの相関を明らかにする手がかりを得る。
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