2020 Fiscal Year Research-status Report
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20K05082
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
金 炳男 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, グループリーダー (50254149)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
森田 孝治 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主席研究員 (20354186)
古瀬 裕章 北見工業大学, 工学部, 准教授 (50506946)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 焼結 / 気孔サイズ分布 / レーザー発振 / ナノセラミックス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
1. 緻密化へ導く組織要因の評価： ナノ粉末の最終焼結段階における緻密化挙動をシミュレーションするプログラムを完成した。焼結途中の多孔体を、異なるサイズの気孔1個を有する焼結ユニットの集合体として定義し、その力学的な関係を解析することにより、焼結体の緻密化挙動をシミュレーションした。その結果、緻密化挙動は気孔のサイズ分布に大きく依存することが分かった。相対密度が約90%に達した時、気孔のサイズ分布が広いほど緻密化速度は低下するが、シミュレーションによりサイズ分布と緻密化速度の定量的な関係が明らかになった。この関係を用いると、実験結果から気孔のサイズ分布を予測することができ、他の焼結挙動まで予測できる基盤を築いた。本シミュレーションに用いた焼結モデルと計算手法は従来のシミュレーションとは全く異なる独自のものであり、気孔のサイズ分布およびその力学関係を考慮した焼結シミュレーションとしては初めての成果である。粉体の焼結は非常に複雑な現象で、未だに精度よく説明できる理論がないので、本シミュレーションによる焼結挙動の予測が最終目標である。
2. レーザー用ナノセラミックスの焼結： 1at%Yb添加C-FAP(Ca10(PO4)6F2)およびS-FAP(Sr10(PO4)6F2)を焼結した。湿式法で合成したナノ粉末を通電加圧焼結法で低温焼結し、平均粒径100-150nmの透明焼結体を作製した。その透過率は理論値の95%以上である。Yb:C-FAPの場合、レーザー発振効率が予想より低く、Ybが結晶粒内に均一に固溶されていないことが考えられた。また、Yb:S-FAPの場合は透明体にはなったが、レーザー発振しなかった。透明Yb:S-FAPの焼結は非常に難しく、そのレーザー発振に関してはまだ成功例がない。
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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
1. 独自の焼結モデルと計算手法に基づいたシミュレーションプログラムが完成し、従来にはできなかった、気孔サイズ分布を持つ多孔体の焼結挙動が解析・予測できる基盤を築いた。ただ、これは理論的な基盤であり、次は如何に実験的な要素を組み込めるかが課題である。この意味でスタートは順調である。
2. レーザーナノセラミックスの焼結も順調に進んでいる。結果としては十分なレーザー発振に至っていないが、透明ナノセラミックスが作製できる手法は確立できたと言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
1. 開発した焼結シミュレーションの軽微な問題点を修正すると共に、粒成長と気孔サイズ分布の両方を取り入れたシミュレーションを行う。また、実験結果を最小限に取り入れたシミュレーションモデルの開発から、実際の全焼結挙動が予測できるようにする。その方法は、まず粒成長に依存しない焼結特性を探し出し、実験とシミュレーションの比較から気孔サイズ分布を評価した後、実際の粒成長挙動を考慮した焼結シミュレーションによる予測である。これにより、実際焼結挙動（緻密化速度、表面積、粘性係数、粘性ポアソン比、焼結応力など）の初めての予測を目指す。
2. ナノ粉体の合成手法を見直し、添加Ybがより均一に安定雇用できる手法を探す。
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