2020 Fiscal Year Annual Research Report
Highly functionalizing of ceramics with heat resistance and environmental resistance
| Project Area | New Materials Science on Nanoscale Structures and Functions of Crystal Defect Cores |
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| Project/Area Number |
19H05792
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| Research Institution | Japan Fine Ceramics Center |
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Principal Investigator |
北岡 諭 一般財団法人ファインセラミックスセンター, その他部局等, 主幹研究員 (80416198)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
吉田 英弘 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (80313021)
中平 敦 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (90172387)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| Keywords | 酸化物 / ポテンシャル場 / 物質移動 / 界面 / 欠陥 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、酸化物セラミックス中の“機能コア”により特殊なポテンシャル場において発現する特性を、A01班、A02 班との連携により解明するとともに、その情報にもとづき耐熱・耐環境性に優れるセラミックスの新機能創出や革新的プロセス開発を行うことを目的とする。本年度の主な実施内容を以下に示す。
酸素ポテンシャル勾配下（dμO）： 高温のdμO下に曝されたAl2O3保護膜中の構成イオンや電子的キャリアの移動に及ぼす粒界偏析元素（Y、Hf）とdμOの影響を評価・解析した。その結果、Yは粒界を介した酸化物イオンの移動を強く抑制するとともに、膜全体の電子的輸率を低下させて「膜表面近傍における酸化物イオンの滞留」を緩和させることがわかった。また、Yb2Si2O7保護膜においては、高酸素分圧側表面をYb2SiO5が熱力学的に生成しうる環境（加湿）に曝すだけで、優れた酸素遮蔽性が発現することを見出した。
高化学ポテンシャル溶媒下：高化学ポテンシャル溶媒中で利用可能なセメント材料の候補として見出したリン酸カルシウムセメントに関して、セメントの硬化反応やモルフォロジーを制御するための機能コアについて検討した。高化学ポテンシャル溶媒自身や、添加剤により、反応の促進・遅延、組織の微細化などの方法を確立した。また、得られた知見を他のセラミックス粒子に展開することにより、ZrO2の正方晶相の安定化や、炭酸カルシウムの連鎖球状粒子に水中・大気中における耐熱性を獲得させることに成功した。
高電磁場： Y2O3、ZrO2、アパタイト系多結晶体をモデル材料として用い、高電磁場下でもたらされる粉末成形体の高速緻密化挙動、高温変形を促進する機能コアの生成とそれによる蛍光発光等の新たな機能発現に関して定量的な基礎データを収集した。その結果、高電磁場の正弦波交流の周波数依存性から物質輸送促進効果の支配要因を明らかにした。
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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
高温酸素ポテンシャル勾配下：Al2O3膜粒界に偏析する元素（Y、Hf）は、「膜内部の粒界におけるイオンの易動度抑制作用」と「電子的輸率の低下による表面近傍のイオン滞留緩和」の二つの相反機能を有することを明らかにした。したがって偏析元素による酸素遮蔽効果は、この二つの機能の大小関係で決定されるものと考えられた。また、保護膜に優れた酸素遮蔽性と構造安定性を発現させるには、「dμO印加による主たる拡散種の膜厚方向の分離」と「異相界面の化学ポテンシャル障壁における拡散種の滞留」を利用した二相積層構造体が有効であることがわかった。
高化学ポテンシャル溶媒下：高化学ポテンシャル溶媒の持つ特性を活用することにより、共存イオンの吸脱着を制御することに成功した。これらの共存イオンは物質表面におけるナノスケールの物質移動を抑制・促進させる機能コアとして作用することにより、微細組織レベルからマクロな物性まで、幅広い影響をすることを明らかにした。研究を通して得られた知見は様々なセラミックス材料においても有効だと考えられ、高化学ポテンシャル溶媒を用いた新奇機能コア形成につながると期待できる。
高電磁場： 高電磁場下でもたらされる粉末成形体の高速緻密化挙動に加え、多結晶体の高温変形を促進する物質輸送の加速、すなわち機能コアの生成とそれによる新たな機能発現に関して基礎データの収集を図り、定量的なデータの蓄積が進んだ。また高電磁場の正弦波交流における周波数がもたらす物質輸送促進の支配要因を明らかにすることで、機能コアの形成と機能についての基盤的知見の確立が進んだ。粒界・界面コア構造の実験および理論的評価・解析においては、蛍光発光の分光分析ならびにA02(ウ)班との連携により高電磁場下で製造した材料における粒界・界面コア構造の解析を継続し、またA01（イ）公募班との連携を開始した。
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| Strategy for Future Research Activity |
高温酸素ポテンシャル勾配下：耐熱性酸化物膜に対して、表面／空間電荷層の存在を定量的に示すことにより、物質移動に及ぼす機能コアの本質を解明する。また、A01(ア)班およびA02(ウ)班等との連携研究より得られる情報を基に、表面／粒界の機能コアを介した物質移動を積極的に制御することにより、優れた環境遮蔽性と構造安定性を兼ね備えた保護膜の設計指針を示す。
高化学ポテンシャル溶媒下：対象物質は引き続きZrO2やリン酸カルシウム、炭酸カルシウムとし、高化学ポテンシャル溶媒下で形成される機能コアによるミクロ―マクロスケールにおける特性制御を目指すとともに、A02(ウ)班およびA02(エ)班との連携により、電子・原子・ナノスケールにおける機能コアがミクロ―マクロスケールに影響を与えるメカニズムを明らかにする。また、これまでに培った高化学ポテンシャル溶媒下における機能コア形成・制御技術を様々なセラミックス材料への展開することを探る。
高電磁場：前年度に引き続き、供試材として代表的な酸化物であるAl2O3、Y2O3、ZrO2、アパタイト系等の多結晶体を用いて、高電界下での酸化物の点欠陥・チャージキャリア生成と物質輸送を、粉末成形体の緻密化挙動、微構造形成過程、温度分布計算から定量評価する。また、前年度に緻密化向上および微構造均質化に有効であることが確認された交流波形において、波形ならびに周波数の影響についても検証を進め、コア構造の制御と物質輸送との関連の調査を推進する。粒界・界面コア構造の観察・解析については、A01(イ)班およびA02(ウ)班との連携を継続し、上記で得られた高電磁場下での物質輸送、微構造形成、並びに、機能コアとの相関を明らかにする手がかりを得る。
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| Remarks |
・南部洸太, 森田孝治, 曽我公平, 増田紘士, 吉田英弘，交流電場を用いたフラッシュ焼結によるイットリアの高密度化，粉体粉末冶金協会2020年秋季大会，優秀講演発表賞，2020年11月6日
・佐々木和, 森田孝治, 山本剛久, 曽我公平, 増田紘士, 吉田英弘，直流電場下でのTZPの高温塑性流動における高温延性の電流値依存性，粉体粉末冶金協会2020年秋季大会，優秀講演発表賞，2020年11月6日
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