2014 Fiscal Year Annual Research Report
３次元可視化による成形プロセスの粒子充填構造と焼結の熱力学的駆動力の解明と制御
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26249110
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
若井 史博 東京工業大学, 応用セラミックス研究所, 教授 (30293062)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田中 諭 長岡技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (20324006)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 焼結 / ３次元トモグラフィー / テープ成形 / 微構造解析 / スラリー / 高温変形 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
a)X線マイクロトモグラフィーによる粉体成形プロセスと粒子充填構造の解析 粒径８μmのガラス球粒子を基板上にテープ成形した場合の粒子充填構造をX線マイクロトモグラフィーにより解析し、面内方向の異方性に比べて、面外方向の異方性が大きいことを表面エネルギーテンソルの解析により明らかにした。微視的に不均一な組織をもつ材料を巨視的な連続体理論で取り扱う場合、代表体積要素(RVE)という中間スケールの概念が有用である。代表体積要素は粒子径より十分大きく多数の粒子を含んでおり、微構造を代表するが、巨視的な部材よりはずっと小さい要素である。トモグラフィーによる可視化をもとに微構造の不均一性のスケールを解析し、代表体積要素の大きさを決定した。
b) 粉体の成形過程及び焼結過程における微構造変化と収縮挙動の実験的研究 アルミナの不均一構造について、成形体中の疎な構造の分布、およびその焼結時の構造変化の過程をマイクロｘ線コンピュータトモグラフィを用いて観察した。また、粉体成形において、スラリー中の粒子の構造とスラリー中の粒子が沈降する挙動について共焦点走査型レーザー蛍光顕微鏡で観察した。
c）粒子スケールの焼結シミュレーション 粘性流動によるガラス流の形状変化は流体力学の原理に基づいて有限要素法によりシミュレーション可能である。最も単純なモデルとして単一粒の粘性流動による形状変化を考えを、粒子内部で焼結力を定義できることを示し、粘性焼結の運動方程式を提案した。細長い楕円体粒子は粘性流動によって時間とともに短軸が増加し、最終的に球へと形状変化する。粒子の対称面に作用する焼結力と短軸径の増加速度との間に比例関係が成立することを示した。この知見に基づき、短軸径の増加速度の実験的測定から焼結力を決定する方法を提案した。
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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
シンクロトロンX線マイクロトモグラフィーを使わなくても、モデル系を適切に選択することにより、既設のX線マイクロトモグラフィーを用いて、成形プロセスと焼結プロセスにおける微視的な粒子配置の不均一性を明瞭に解析できることを明らかにし、今後の研究の進展の展望が得られた。シミュレーションでは、焼結の熱力学的駆動力である焼結力を粘性焼結によるガラス粒の球状化現象に対しても適用できることを示し、論文発表を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
シート成形では、粒子の充填構造の異方性、形状異方性が焼結収縮に影響をおよぼすため、充填構造の異方性について検討を行う。ガラス球粒子をモデル試料として、シート成形、乾燥プロセス、バインダー除去、焼結の各段階における微視的粒子配列構造の変化を系統的にX線トモグラフィーによって解明する。共焦点走査型レーザー顕微鏡による粒子充填構造の評価についても検討し、焼結収縮との関係性について、検討を行う。次年度は、横型押し棒式熱膨張計を新規に導入し、異方的な収縮挙動を測定する。シミュレーションに関しては、焼結の素過程として２球粒子の粘性焼結における焼結力について検討する。
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