Flash-sintering: its atomistic process and mechanism

• Project/Area Number: 17H03394
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Inorganic materials/Physical properties
• Research Institution: The University of Tokyo (2018-2020); National Institute for Materials Science (2017)
• Principal Investigator: 吉田 英弘 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (80313021)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000); Fiscal Year 2021: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2020: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000); Fiscal Year 2019: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000); Fiscal Year 2018: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2017: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000)
• Keywords: 電場支援焼結技術 / フラッシュ焼結 / セラミック / 粒界 / 物質輸送 / ドーピング / 電界 / 焼結

Outline of Annual Research Achievements

本応募研究では、各種機能・構造酸化物系セラミックスを対象とし、フラッシュ焼結の基礎データを系統的な焼結パラメータ制御の下で蓄積すると共に、フラッシュ焼結に伴う微細組織形成過程を追跡する。特に、粒界形成から緻密化過程における点欠陥生成、物質輸送、相変態などの素過程現象を明らかにし、それらに及ぼすドーピング効果・雰囲気効果を実験的に検証することで、フラッシュ焼結プロセスの物理的描像を得ることを第一の目的とする。
種々の酸化物セラミックスを対象として、フラッシュ焼結挙動に関する基礎データ取得を前年度に引き続き行う。フラッシュ焼結その場観察のための光学系の整備を実施し、フラッシュ焼結実験に関する良好なデータ取得技術を確立した。具体的には主要焼結パラメータである温度、電場、電流に加えて、印加する電界の直流／交流／波形／周波数が及ぼすフラッシュ焼結挙動への影響について実験的検証を進め、均一且つ高密度の微細組織を得る上で明確な周波数依存性を世界に先駆けて見出した。一方、フラッシュ焼結により得られる試料について、通常焼結と比較したときの電場印加に伴って生じる粒界、相変態、内部ひずみの変化を調査し、特に粒界における原子構造や点欠陥構造を知るためのHRTEM・STEM観察、EELSおよび各種分光計測を行った。
本年度は最終年度として、収集した基礎データををもとに、フラッシュ焼結を利用したセラミックスの微細組織制御のための理論的指針を構築し、革新的な省エネルギー化を実現する焼結プロセスの確立を目指す。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

フラッシュ焼結その場観察のための光学系の整備に問題があったものの、技術的問題を克服し、フラッシュ焼結実験に関する良好なデータ取得技術を確立した。具体的には主要焼結パラメータである温度、電場、電流に加えて、印加する電界の直流／交流／波形／周波数が及ぼすフラッシュ焼結挙動への影響について実験的検証を進め、均一且つ高密度の微細組織を得る上で明確な周波数依存性を世界に先駆けて見出した。

Strategy for Future Research Activity

本年度は最終年度として、収集した基礎データををもとに、フラッシュ焼結を利用したセラミックスの微細組織制御のための理論的指針を構築し、革新的な省エネルギー化を実現する焼結プロセスの確立を目指す。

Research Products

• [Journal Article] Fundamentals of Sintering: ―Theory and Practice― Ⅳ. Development of Electric Current-assisted Sintering Techniques (2020)
  • Author(s): 吉田英弘
  • Journal Title: Materia Japan Volume: 59 Issue: 1 Pages: 37-43
  • DOI: 10.2320/materia.59.37
  • ISSN: 1340-2625, 1884-5843
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Blue photoluminescence at room temperature from Y2O3-doped ZrO2 polycrystals sintered by flash sintering (2020)
  • Author(s): Yamashita Yudai、Itoh Asa、Tokunaga Tomoharu、Yoshida Hidehiro、Yamamoto Takahisa
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 13 Pages: 035506-035506
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ab7710
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Fundamentals of Sintering: ―Theory and Practice ―I. Various Sintering Methods (2019)
  • Author(s): 吉田英弘
  • Journal Title: Materia Japan Volume: 58 Issue: 10 Pages: 570-575
  • DOI: 10.2320/materia.58.570
  • ISSN: 1340-2625, 1884-5843
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Fundamentals of Sintering: ─Theory and Practice ─ II. Densification Kinetics (2019)
  • Author(s): 吉田英弘
  • Journal Title: Materia Japan Volume: 58 Issue: 11 Pages: 677-683
  • DOI: 10.2320/materia.58.677
  • ISSN: 1340-2625, 1884-5843
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Theory and Practice ─Ⅲ. Densification Behavior of Multi-particle Systems (2019)
  • Author(s): 吉田英弘
  • Journal Title: Materia Japan Volume: 58 Issue: 12 Pages: 782-788
  • DOI: 10.2320/materia.58.782
  • ISSN: 1340-2625, 1884-5843
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Intergranular amorphous films formed by DC electric field in pure zirconia (2018)
  • Author(s): Morisaki Nobuhiro、Yoshida Hidehiro、Kobayashi Tetsuro、Tokunaga Tomoharu、Yamamoto Takahisa
  • Journal Title: J Am Ceram Soc. Volume: 未定 Pages: 3282-3287
  • DOI: 10.1111/jace.15485
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Superplastic forming of oxide ceramics enhanced by strong electric field (2019)
  • Author(s): H. Yoshida, Y. Sasaki, T. Yamamoto
  • Organizer: The 13th Pacific Rim Conference of Ceramics Societies
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Electric field-activated superplastic deformation in tetragonal zirconia polycrystals (2019)
  • Author(s): H. Yoshida, Y. Sasaki, T. Yamamoto
  • Organizer: Materials Research Meeting 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 通電支援焼結における電場／電流効果とは (2019)
  • Author(s): 吉田英弘, 山本剛久
  • Organizer: 第24回通電焼結研究会 通電焼結プロセスによる材料研究の新展開
  • Invited
• [Presentation] フラッシュ焼結により製造された無添加およびSi4+添加イットリア多結晶体の蛍光特性 (2019)
  • Author(s): 南部洸太, 早坂仁志, 森田孝治, 曽我公平, 山本剛久, 吉田英弘
  • Organizer: 粉体粉末冶金協会2019年度秋季大会（第124回講演大会）
• [Presentation] TZPの低温超塑性変形応力における電場／電流効果 (2019)
  • Author(s): 佐々木和, 吉田英弘, 曽我公平
  • Organizer: 日本金属学会2019年秋期（第165回）講演大会
• [Presentation] フラッシュ焼結を利用した多結晶Y2O3蛍光体の作製 (2019)
  • Author(s): 吉田英弘, 南部洸太, 佐々木和, 山本剛久
  • Organizer: 日本金属学会2019年秋期（第165回）講演大会
• [Presentation] フラッシュ焼結とその周辺技術 (2019)
  • Author(s): 吉田英弘, 山本剛久
  • Organizer: 2019年度第1回バルクセラミックスの信頼性に関するワークショップ
  • Invited
• [Presentation] フラッシュ焼結の現状と展望 (2019)
  • Author(s): 吉田英弘
  • Organizer: 日本学術振興会第124委員会第157回会議
  • Invited
• [Presentation] フラッシュ焼結―原理と周辺技術― (2019)
  • Author(s): 吉田英弘
  • Organizer: 粉末冶金技術研究会
  • Invited
• [Presentation] 構造セラミックスの新展開―電場支援プロセスを利用した新たな微構造と機能創製 (2018)
  • Author(s): 吉田英弘
  • Organizer: 日本学術振興会第176委員会第37回研究会
  • Invited
• [Presentation] 電場支援による構造セラミックス材料の創出と新規力学特性 (2018)
  • Author(s): 吉田英弘
  • Organizer: 第18回 五セラミックス機関（東工大-名工大-JFCC-AIST-NIMS）合同講演会
  • Invited
• [Presentation] Field-assisted and flash sintering and processing of oxide ceramics (2018)
  • Author(s): H. Yoshida, T. Yamamoto
  • Organizer: 2018 MRS Fall Meeting & Exhibit.
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] フラッシュ焼結によるセラミックスの緻密化と関連技術 (2018)
  • Author(s): 吉田英弘, 山本剛久
  • Organizer: 粉体粉末冶金協会平成30年度春季大会（第121回講演大会）
  • Invited
• [Presentation] Flash-sintering and related phenomena in oxide ceramics (2018)
  • Author(s): H. Yoshida, K. Morita, B.-N. Kim, T. Yamamoto
  • Organizer: the 12th International Symposium on Advanced Processing and Manufacturing Technologies for Structural and Multifunctional Materials and Systems (APMT12)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Electric-current-controlled synthesis of BaTiO3 under a high DC electric field at elevated temperatures (2018)
  • Author(s): H. Yoshida, Y. Nakagawa, A. Uehashi, T. Yamamoto
  • Organizer: 2018 Conference on Electronic and Advanced Materials (EAM 2018)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] 研究者総覧
  • URL: https://samurai.nims.go.jp/profiles/yoshida_hidehiro
• [Remarks] NIMS Researchers Directry service
  • URL: https://samurai.nims.go.jp/profiles/yoshida_hidehiro?locale=en