フラッシュ焼結の素過程抽出とメカニズム解明

• 研究課題/領域番号: 17H03394
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 無機材料・物性
• 研究機関: 東京大学 (2018-2021); 国立研究開発法人物質・材料研究機構 (2017)
• 研究代表者: 吉田 英弘 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (80313021)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円); 2021年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円); 2020年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円); 2019年度: 5,330千円 (直接経費: 4,100千円、間接経費: 1,230千円); 2018年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円); 2017年度: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円)
• キーワード: 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

研究成果の概要

本研究では、フラッシュ焼結の技術的展開を見据えた、高速・低温焼結の素過程抽出とメカニズム解明を、先端ナノ計測に基づく独自のアプローチにより図った。その結果、強電場下で導入される独自の点欠陥構造や原子拡散促進を解析し捉えることに成功し、高速・低温焼結の素過程とそのメカニズムを明らかにした。またその基礎基盤知見に基づき、難焼結性酸化物セラミックスの高密度化（透光性獲得）、また高速・低温化に向けた技術的指針も得た。こうした学術的知見はセラミックス産業がSDG’sやカーボンニュートラルといった社会的要請に応えるための道筋をもたらすものである。

研究成果の学術的意義や社会的意義

フラッシュ焼結は研究開始当初から、セラミックスの新たな高速・低温焼結技術として世界的に注目されていた。本研究において見いだされたアクセプター・ドナー微量添加、および電場・電流波形制御による焼結性向上は、極めて重要な基礎的知見である。本研究ではそれら効果の機構についても解明しており、当該分野の学術的進展をもたらした。とりわけ、波形効果に関しては従来の研究においても必ずしも系統的な調査はなされておらず、本研究で見いだされた焼結挙動の周波数依存性およびその説明は世界的にも当該分野の先駆けとなった。さらに、本研究で得られた知見はカーボンニュートラル社会の実現に向けた技術基盤をもたらすものである。

研究成果

• [雑誌論文] Densification of Y2O3 by flash sintering under an AC electric field (2022)
  • 著者名/発表者名: Nambu Kohta、Morita Koji、Soga Kohei、Yamamoto Takahisa、Masuda Hiroshi、Yoshida Hidehiro
  • 雑誌名: Journal of the European Ceramic Society 巻: 42 号: 2 ページ: 567-575
  • DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2021.10.029
  • 査読あり
• [雑誌論文] Anelasticity induced by AC flash processing of cubic zirconia (2022)
  • 著者名/発表者名: Masuda Hiroshi、Morita Koji、Tokunaga Tomoharu、Yamamoto Takahisa、Yoshida Hidehiro
  • 雑誌名: Acta Materialia 巻: 227 ページ: 117704-117704
  • DOI: 10.1016/j.actamat.2022.117704
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Electric current dependence of plastic flow behavior with large tensile elongation in tetragonal zirconia polycrystal under a DC field (2021)
  • 著者名/発表者名: Sasaki Yamato、Morita Koji、Yamamoto Takahisa、Soga Kohei、Masuda Hiroshi、Yoshida Hidehiro
  • 雑誌名: Scripta Materialia 巻: 194 ページ: 113659-113659
  • DOI: 10.1016/j.scriptamat.2020.113659
  • 査読あり
• [雑誌論文] 焼結の基礎―理論的背景から実際まで―Ⅳ．通電支援焼結の展開 (2020)
  • 著者名/発表者名: 吉田英弘
  • 雑誌名: まてりあ 巻: 59 号: 1 ページ: 37-43
  • DOI: 10.2320/materia.59.37
  • NAID: 130007778713
  • ISSN: 1340-2625, 1884-5843
  • 年月日: 2020-01-01
  • 査読あり
• [雑誌論文] Doping effect on the flash sintering of Y2O3: Promotion of densification and optical translucency (2020)
  • 著者名/発表者名: Yoshida Hidehiro、Hayasaka Hitoshi、Soga Kohei、Morita Koji、Kim Byung-Nam、Yamamoto Takahisa
  • 雑誌名: Journal of the European Ceramic Society 巻: 40 号: 15 ページ: 6053-6060
  • DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2020.06.041
  • 査読あり
• [雑誌論文] Blue photoluminescence at room temperature from Y2O3-doped ZrO2 polycrystals sintered by flash sintering (2020)
  • 著者名/発表者名: Yamashita Yudai、Itoh Asa、Tokunaga Tomoharu、Yoshida Hidehiro、Yamamoto Takahisa
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 13 号: 3 ページ: 035506-035506
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ab7710
  • 査読あり
• [雑誌論文] 焼結の基礎―理論的背景から実際まで― Ⅲ．多粒子系の焼結緻密化挙動 (2019)
  • 著者名/発表者名: 吉田英弘
  • 雑誌名: まてりあ 巻: 58 号: 12 ページ: 782-788
  • DOI: 10.2320/materia.58.782
  • NAID: 130007754027
  • ISSN: 1340-2625, 1884-5843
  • 年月日: 2019-12-01
  • 査読あり
• [雑誌論文] 焼結の基礎―理論的背景から実際まで― Ⅱ. 焼結緻密化の速度論 (2019)
  • 著者名/発表者名: 吉田英弘
  • 雑誌名: まてりあ 巻: 58 号: 11 ページ: 677-683
  • DOI: 10.2320/materia.58.677
  • NAID: 130007740023
  • ISSN: 1340-2625, 1884-5843
  • 年月日: 2019-11-01
  • 査読あり
• [雑誌論文] 焼結の基礎―理論的背景から実際まで―Ⅰ. さまざまな焼結手法 (2019)
  • 著者名/発表者名: 吉田英弘
  • 雑誌名: まてりあ 巻: 58 号: 10 ページ: 570-575
  • DOI: 10.2320/materia.58.570
  • NAID: 130007721909
  • ISSN: 1340-2625, 1884-5843
  • 年月日: 2019-10-01
  • 査読あり
• [雑誌論文] Intergranular amorphous films formed by DC electric field in pure zirconia (2018)
  • 著者名/発表者名: Morisaki Nobuhiro、Yoshida Hidehiro、Kobayashi Tetsuro、Tokunaga Tomoharu、Yamamoto Takahisa
  • 雑誌名: Journal of the American Ceramic Society 巻: 未定 号: 8 ページ: 1-6
  • DOI: 10.1111/jace.15485
  • 査読あり
• [学会発表] フラッシュ焼結が及ぼすY2O3の結晶構造への影響 (2021)
  • 著者名/発表者名: 中元綾乃, 南部洸太, 増田紘士, 吉田英弘
  • 学会等名: 粉体粉末冶金協会2021年度春季大会（第127回講演大会）
• [学会発表] Electric Field-assisted Plastic Flow in Structural Oxide Ceramics (2021)
  • 著者名/発表者名: H. Yoshida, Y. Sasaki, H. Masuda, K. Morita, T. Yamamoto
  • 学会等名: Thermec'2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 立方晶ジルコニアへの通電処理による非弾性変形の発現 (2021)
  • 著者名/発表者名: 増田紘士, 森田孝治, 吉田英弘
  • 学会等名: 日本金属学会 2021年秋期(第169回)講演大会
• [学会発表] 強電場下におけるジルコニアのフォノン分散に関する第一原理計算 (2021)
  • 著者名/発表者名: 玉生大貴, 増田紘士, 吉田英弘
  • 学会等名: 日本セラミックス協会 第34回秋季シンポジウム
• [学会発表] フラッシュ焼結したY2O3における結晶構造の解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 中元綾乃, 南部洸太, 増田紘士, 吉田英弘
  • 学会等名: 日本金属学会 2021年秋期(第169回)講演大会
• [学会発表] 酸化物の焼結緻密化と粒界現象 (2021)
  • 著者名/発表者名: 吉田英弘
  • 学会等名: プロトニックセラミックス産学共同講座WEB討論会
  • 招待講演
• [学会発表] フラッシュ焼結の現状と今後の展望―セラミックス通電プロセスの可能性― (2021)
  • 著者名/発表者名: 吉田英弘
  • 学会等名: 第6回次世代ジルコニアセミナー
  • 招待講演
• [学会発表] 強電場下における正方晶 ZrO2のフォノン物性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 玉生大貴, 増田紘士, 吉田英弘
  • 学会等名: 粉体粉末冶金協会 2021年秋季大会
• [学会発表] 高密度化のためのACフラッシュ焼結プロセスの制御 (2021)
  • 著者名/発表者名: 南部洸太, 森田孝治, 山本剛久, 増田紘士, 吉田英弘
  • 学会等名: 日本学術振興会第124委員会 第166回会議,“高信頼性セラミックス製造プロセスのための革新技術"
• [学会発表] フラッシュ現象を利用したTZPセラミックスの低温・高速速塑性流動 (2021)
  • 著者名/発表者名: 吉田英弘
  • 学会等名: 第167回超塑性研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 強電界下におけるセラミックスの高温物質輸送現象―新たなセラミックスプロセスの開拓― (2020)
  • 著者名/発表者名: 吉田英弘
  • 学会等名: 粉体粉末冶金協会秋季大会
  • 招待講演
• [学会発表] 強電界下でのセラミックスの物質輸送現象 (2020)
  • 著者名/発表者名: 吉田英弘
  • 学会等名: 日本金属学会2020年秋期大会
  • 招待講演
• [学会発表] Electroplasticity and shaping (2020)
  • 著者名/発表者名: H. Yoshida
  • 学会等名: DFG Summer School on Electric and Magnetic Field-assisted Processing of Inorganic Materials
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Superplastic forming of oxide ceramics enhanced by strong electric field (2020)
  • 著者名/発表者名: H. Yoshida
  • 学会等名: Materials Science and Engineering (MSE) 2021
  • 国際学会
• [学会発表] Superplastic forming of oxide ceramics enhanced by strong electric field (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Yoshida, Y. Sasaki, T. Yamamoto
  • 学会等名: The 13th Pacific Rim Conference of Ceramics Societies
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Electric field-activated superplastic deformation in tetragonal zirconia polycrystals (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Yoshida, Y. Sasaki, T. Yamamoto
  • 学会等名: Materials Research Meeting 2019
  • 国際学会
• [学会発表] 通電支援焼結における電場／電流効果とは (2019)
  • 著者名/発表者名: 吉田英弘, 山本剛久
  • 学会等名: 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
  • 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 南部洸太, 早坂仁志, 森田孝治, 曽我公平, 山本剛久, 吉田英弘
  • 学会等名: 粉体粉末冶金協会2019年度秋季大会（第124回講演大会）
• [学会発表] TZPの低温超塑性変形応力における電場／電流効果 (2019)
  • 著者名/発表者名: 佐々木和, 吉田英弘, 曽我公平
  • 学会等名: 日本金属学会2019年秋期（第165回）講演大会
• [学会発表] フラッシュ焼結を利用した多結晶Y2O3蛍光体の作製 (2019)
  • 著者名/発表者名: 吉田英弘, 南部洸太, 佐々木和, 山本剛久
  • 学会等名: 日本金属学会2019年秋期（第165回）講演大会
• [学会発表] フラッシュ焼結とその周辺技術 (2019)
  • 著者名/発表者名: 吉田英弘, 山本剛久
  • 学会等名: 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
  • 招待講演
• [学会発表] フラッシュ焼結の現状と展望 (2019)
  • 著者名/発表者名: 吉田英弘
  • 学会等名: 日本学術振興会第124委員会第157回会議
  • 招待講演
• [学会発表] フラッシュ焼結―原理と周辺技術― (2019)
  • 著者名/発表者名: 吉田英弘
  • 学会等名: 粉末冶金技術研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 吉田英弘
  • 学会等名: 日本学術振興会第176委員会第37回研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 吉田英弘
  • 学会等名: 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
  • 招待講演
• [学会発表] Field-assisted and flash sintering and processing of oxide ceramics (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Yoshida, T. Yamamoto
  • 学会等名: 2018 MRS Fall Meeting & Exhibit.
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 吉田英弘, 山本剛久
  • 学会等名: 粉体粉末冶金協会平成30年度春季大会（第121回講演大会）
  • 招待講演
• [学会発表] Flash-sintering and related phenomena in oxide ceramics (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Yoshida, K. Morita, B.-N. Kim, T. Yamamoto
  • 学会等名: the 12th International Symposium on Advanced Processing and Manufacturing Technologies for Structural and Multifunctional Materials and Systems (APMT12)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Electric-current-controlled synthesis of BaTiO3 under a high DC electric field at elevated temperatures (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Yoshida, Y. Nakagawa, A. Uehashi, T. Yamamoto
  • 学会等名: 2018 Conference on Electronic and Advanced Materials (EAM 2018)
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] マテリアル工学専攻 吉田（英）研究室（構造セラミック材料学）
  • URL: http://www.ceramic.t.u-tokyo.ac.jp/
• [備考] 研究者総覧
  • URL: https://samurai.nims.go.jp/profiles/yoshida_hidehiro
• [備考] NIMS Researchers Directry service
  • URL: https://samurai.nims.go.jp/profiles/yoshida_hidehiro?locale=en