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2010年のフラッシュ焼結発見からおよそ10年が過ぎ、フラッシュ現象下における拡散現象の促進メカニズムについては幾つかのモデルが提案されてきた一方で、本分野の研究者間で拡散促進メカニズムに対する統一的な理解は得られていない。そこで本論文では、高温下での物質輸送現象に及ぼすフラッシュ現象独自の拡散促進効果がどのようなメカニズムに基づいて発現しているのかを特定し、必ずしも明確ではなかった電場と拡散現象に関する新たな物理的描像を得ることを目的として以下の研究が遂行された。
(1)HfO2-ZrO2拡散対に対してフラッシュ処理を行い、高温下での相互拡散挙動を評価することにより、フラッシュ現象独自の拡散促進効果の可視化と定量評価に成功した。その結果、フラッシュ現象下での物質輸送における拡散経路や拡散促進メカニズムに関する重要な知見が得られた。(2)8Y-CSZ緻密体におけるフラッシュ現象下での粒成長挙動を評価した結果、フラッシュ現象下での拡散促進効果と電流・電力密度の関係性が明らかになった。他にも、実用化に向けてZrO2の(3)き裂修復や(4)拡散接合に対してフラッシュ現象を適用し、その拡散プロセスへ及ぼす強電場の効果を調査した。その結果、焼結以外の高温プロセスである修復・接合においても拡散促進効果が認められた。これらの結果から、定常状態におけるフラッシュ現象独自の拡散促進メカニズムとしては、「強電場印加による電気的還元に起因した点欠陥(酸素欠陥)生成」が主体的に働いていることが示された。ZrO2に対して強電場を印加することで、フラッシュ現象が発現し電気化学的還元反応により点欠陥(酸素欠陥)が組織中に生成する。生成した酸素欠陥は結晶粒界近傍に蓄積し、カチオン拡散における移動障壁の低下ないしは粒界付近の拡散パスの増加を引き起こすために、カチオンの粒界拡散性が数倍促進すると推定された。
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