2019 Fiscal Year Research-status Report
CALPHAD法による融体のギブスエネルギーを用いた酸化物ガラスの特性評価
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19K04996
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| Research Institution | Akita University |
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Principal Investigator |
菅原 透 秋田大学, 理工学研究科, 准教授 (40420492)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | ガラス / CALPHAD / 熱力学データベース / 耐水性試験 / ガラス形成能 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は近年普及が進んでいるCALPHAD法による熱力学データベースを用いて，ガラス形成能やガラスの化学的耐久性など，ガラスの様々な性質に応用可能であるかを検証することを目的としている．令和元年度は我々の研究室でこれまでに改良を進めてきたGTOX互換の熱力学データベースを用いて，ガラスの耐水性ならびにガラス形成範囲に関する下記の検討を行なった．
(1) SiO2-B2O3-Al2O3-CaO-Na2O系で9組成のガラスを合成し，90℃で2時間から48時間のMCC-3試験を行なった．溶液はICP-AESで分析し，ガラスと水の間の平衡定数を調べた．また，ケイ酸塩メルトの熱力学データを用いてガラスの生成ギブズエネルギーを計算するとともに，酸化物の水に対する溶解ギブズエネルギー，生成ギブズエネルギーと組み合わせることで，ガラスの水に対する溶解ギブズエネルギーを算出した．計算された溶解ギブズエネルギーは平衡定数から推測される値と相関しており，計算により±20kJ/mol程度の誤差範囲で平衡定数を見積もることができることがわかった．
(2) SiO2-RO系とSiO2-RAl2O4系(R=Li2, Na2, Ca, Mg)のリキダス温度以下の領域において，過冷却メルトと結晶相のギブズエネルギーの差(-ΔG)を求めた．SiO2-RO系における-ΔGの過冷却度に対する変化はLi2Oで大きく，CaOで小さく，Na2OとMgOはそれらの中間であり，それぞれの系での結晶化のしやすさと対応していた．一方，SiO2-RAl2O4系については対応関係が見られなかった．このことは現状のAl2O3を含むメルトのギブズエネルギー過冷却領域に外挿できないことを示していると考えられる．
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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
初年度に実施したMCC-3試験のデータを用いて，ガラスの耐水性は熱力学データベースを用いておおよそ予測することができること，また予測する際の誤差の大きさを見積もることができた．また，ガラス形成能の評価に関しては現状のデータベースで適用可能な範囲と課題を明らかにすることができた．CALPHAD法データベースの応用法の検証という観点では当初の初年度の目的を達成できたと考えている．
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| Strategy for Future Research Activity |
(1) SiO2-B2O3-Na2O 系の熱容量測定を行い，特に過冷却領域の熱容量の温度・組成依存性を明らかにする．また，測定された熱容量の値を組み込むとともに低温領域での分相を再現するようにGTOX互換のデータベースを改良する．
(2) Al2O3を含むメルトのギブズエネルギーについて，現在のデータベースに収録されている熱容量データを再点検し，必要に応じて改良・修正をする．その上で，SiO2-RAl2O4系の過冷却メルトのギブズエネルギーを再度計算し，結晶化範囲との対応関係を調べる．
(3) 国際ガラスデータベース( INTERGLAD)に収録されているガラスの耐水性試験のデータを用いて初年度と同様な方法で平衡定数を計算するとともに，熱力学データを用いて計算される溶解ギブズエネルギーと比較し，CALPHAD法データベースの汎用性を検証する．
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| Causes of Carryover |
初年度は熱容量測定をする予定であったが，耐水性試験の実施を優先したため，実験内容が入れ替わった．そのため，発熱体や白金るつぼのような実験部品の購入が不要となり，予算が余ることになった．
二年目となる今年度は落下熱量測定とDSC測定によりSiO2-B2O3-Na2O系の熱容量測定を計画している．実験に必要な白金るつぼ，白金線，熱電対，発熱体，炉心管，アルミナるつぼ等を購入する予定である．
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