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2021 Fiscal Year Annual Research Report

セラミックスの高温変形及び接合に対する通電効果の原理解明

Research Project

Project/Area Number 20H02444
Research InstitutionNational Institute for Materials Science

Principal Investigator

森田 孝治  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主席研究員 (20354186)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 金 炳男  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, グループリーダー (50254149)
北薗 幸一  東京都立大学, システムデザイン研究科, 教授 (20321573)
小林 純也  茨城大学, 理工学研究科(工学野), 講師 (20735104)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2024-03-31
Keywords通電効果 / セラミックス / 接合 / 透明体
Outline of Annual Research Achievements

本年度は、1)パルス通電処理によるセラミックスの低温・高緻密(透明)化と2)通電接合による金属/セラミックス異種接合体の高強度化を目的に実施した。
まず、1)の通電焼結を利用した低温・高緻密(透明)化では、蛍光体などの機能性粒子を分散させたセラミックスのパルス通電処理による低温緻密化プロセスの高度化を目指した。特に、優れた発光機能を有する蛍光体粒子を合成しても、蛍光体粒子自体が熱的に不安定である場合も多く、ホスト材となるセラミックスに分散させて緻密化する過程で熱劣化する可能性が大きい。そこで、ホスト材となる透明セラミックスを焼結する過程で、分散した各種蛍光体がホスト材中で分解・反応し、蛍光特性が損なわれないよう、低温・短時間で緻密(透明)化するための通電緻密化処理技術の検討を行った。その結果、前年度までに通電効果が確認されたMgOをモデル材に、通電処理に伴う緻密化促進効果を併用することで、550‐800℃の低温において蛍光特性を有する蛍光体分散MgOセラミックスの創製に成功した。UV照射下で蛍光発光を確認することができることから、合成後もMgOセラミックス中に分散した蛍光体が変質することなく蛍光特性を維持できていることが確認できた。
2)の通電接合では、金属/セラミックス異種材料の接合に対する有効性が確認されたが、その後の微構造評価で、一部未接合部が残存することが確認された。また、通電効果を活用した接合法の高度化には、特に接合界面における低強度の第2相の接合反応相の制御が不可欠である。そこで、通電接合の最適化に加え、接合反応相の生成の評価を開始した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

本研究は、所属機関外の研究者との連携で実施予定であったが、コロナ禍の影響も有り、相互の研究機関を訪問しての研究が困難な状況が生じた。また、接合条件の最適化に関しては、未接合部が残るなど、当初想定しなかった課題も判明した。共同で研究を進める課題に関しては困難な部分もあったが、概ね目的を達していると判 される。

Strategy for Future Research Activity

今年度の結果をもとに、次年度は、1)パルス通電処理によるセラミックスの低温・高緻密(透明)化と2)通電接合による金属/セラミックス異種接合体の高強度化、に関する研究を継続させ、理解の更なる深化を図る。
1)のセラミックスの低温・高緻密(透明)化に関しては、高輝度照明の実現に向け、高輝度の蛍光体粒子を分散させた透明セラミックスの通電処理による低温緻密化による高品質化を目指す。優れた発光機能を有する蛍光体粒子を合成しても、蛍光体粒子自体が熱的に不安定である場合も多い。透明体合成時に加え、発光中に発生する熱によっても特性の低下が懸念される。そこで、ヒートシンク機能に優れる透明なホストセラミックスに分散させることで、熱劣化を改善を図れるよう、熱特性も優れる透明セラミックスの創製を目指す。
また、2)金属/セラミックスの通電接合に関しては、通電処理による金属/セラミックス異種接合体の更なる高強度化を目的に、通電処理に伴う界面反応相の生成挙動と機械特性の評価を実施する。金属/セラミックス異種材料の接合に対する有効性が確認されたが、一部未接合部が残存すること、通電効果を活用した接合法の高度化には、特に接合界面における低強度の第2相の接合反応相の制御が不可欠である。そこで、通電下における界面反応相の知見は無いことから、同じくジルコニアをモデル材に、基準材となるZrO2/金属(Ti,Mo,Taなど)の接合体を対象に、異種界面における反応相の形成と強度特性の関係などについて検証する。

  • Research Products

    (26 results)

All 2021 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (10 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 10 results) Presentation (13 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results,  Invited: 4 results) Remarks (1 results)

  • [Int'l Joint Research] Forschungszentrum Julich(ドイツ)

    • Country Name
      GERMANY
    • Counterpart Institution
      Forschungszentrum Julich
  • [Int'l Joint Research] Wuhan University of Technology(中国)

    • Country Name
      CHINA
    • Counterpart Institution
      Wuhan University of Technology
  • [Journal Article] Effect of Powder Calcination Conditions on IR Transmission in Y2O3-MgO Nanocomposites Fabricated by Pulsed Electric Current Sintering Technique2021

    • Author(s)
      Lihong LIU, Koji MORITA, Tohru S. SUZUKI, Byung-Nam KIM
    • Journal Title

      Journal of the Japan Society of Powder and Powder Metallurgy

      Volume: 68 Pages: 500~506

    • DOI

      10.2497/jjspm.68.500

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Development of Laser Optical Materials by Pulsed Electric Current Sintering2021

    • Author(s)
      Hiroaki FURUSE, Ryo YASUHARA, Naohiro HORIUCHI, Koji MORITA, Byung-Nam KIM
    • Journal Title

      Journal of the Japan Society of Powder and Powder Metallurgy

      Volume: 68 Pages: 476~481

    • DOI

      10.2497/jjspm.68.476

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Fabrication of MgAl2O4/Al2O3 laminated transparent composite by spark-plasma-sintering (SPS) processing2021

    • Author(s)
      Lihong Liu, Koji Morita
    • Journal Title

      Scripta Materialia

      Volume: 205 Pages: 114205~114205

    • DOI

      10.1016/j.scriptamat.2021.114205

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Microcrack healing in zirconia ceramics under a DC electric field/current2021

    • Author(s)
      Koji Morita, Fuki Naito, Daisuke Terada
    • Journal Title

      Journal of the European Ceramic Society

      Volume: 41 Pages: 282~289

    • DOI

      10.1016/j.jeurceramsoc.2021.09.044

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Segregation‐controlled densification and grain growth in rare earth‐doped Y2O32021

    • Author(s)
      Moritz Kindelmann, Ke Ran, Wolfgang Rheinheimer, Koji Morita, Joachim Mayer, Martin Bram, Olivier Guillon
    • Journal Title

      Journal of the American Ceramic Society

      Volume: 104 Pages: 4946~4959

    • DOI

      10.1111/jace.17907

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Transmittance enhancement of spark plasma sintered CaF2 ceramics by preheating commercial powder2021

    • Author(s)
      Ping Wang, Zhifeng Huang,Koji Morita, Qizhong Li, Meijun Yang, Song Zhang, Takashi Goto, Rong Tu
    • Journal Title

      Journal of the European Ceramic Society

      Volume: 41 Pages: 4609~4617

    • DOI

      10.1016/j.jeurceramsoc.2021.03.014

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Electric current dependence of plastic flow behavior with large tensile elongation in tetragonal zirconia polycrystal under a DC field2021

    • Author(s)
      Yamato Sasaki, Koji Morita, Takahisa Yamamoto, Kohei Soga, Hiroshi Masuda, Hidehiro Yoshida
    • Journal Title

      Scripta Materialia

      Volume: 194 Pages: 113659~113659

    • DOI

      10.1016/j.scriptamat.2020.113659

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Effect of volume ratio on optical and mechanical properties of Y2O3-MgO composites fabricated by spark-plasma-sintering process2021

    • Author(s)
      Lihong LIU, Koji MORITA, Tohru S. SUZUKI, Byung-Nam KIM
    • Journal Title

      Journal of the European Ceramic Society

      Volume: 41 Pages: 2096~2105

    • DOI

      10.1016/j.jeurceramsoc.2020.10.074

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Effect of the Heating Rate on the Spark-Plasma-Sintering (SPS) of Transparent Y2O3 Ceramics: Microstructural Evolution, Mechanical and Optical Properties2021

    • Author(s)
      Lihong LIU, Koji MORITA, Tohru S. SUZUKI, Byung-Nam KIM
    • Journal Title

      Ceramics

      Volume: 4 Pages: 56~69

    • DOI

      10.3390/ceramics4010006

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Simulation of densification behavior of nano-powder in final sintering stage: Effect of pore-size distribution2021

    • Author(s)
      Byung-Nam Kim, Koji Morita, Tohru S. Suzuki, Ji-Guang Li, Hideaki Matsubara
    • Journal Title

      Journal of the European Ceramic Society

      Volume: 41 Pages: 625~634

    • DOI

      10.1016/j.jeurceramsoc.2020.08.046

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Tensile deformation behavior in zirconia (8Y-CSZ) ceramics under DC and AC electric currents2021

    • Author(s)
      Koji Morita, Kohta Nambu, Hidehiro Yoshida
    • Organizer
      MATERIALS RESEARCH MEETING 2021 (MRM2021)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Flash joining of TZP under AC electric field2021

    • Author(s)
      Kohta Nambu, Taisuke Kitaoka, Koji Morita, Kohei Soga, Takahisa Yamamoto, Hiroshi Masuda, Hidehiro Yoshida
    • Organizer
      MATERIALS RESEARCH MEETING 2021 (MRM2021)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Effect of Electric Current on Creep Deformation of 8mol% Yttria Stabilized Zirconia Polycrystals2021

    • Author(s)
      Daichi Morikawa, Koji Morita, Kohei Soga
    • Organizer
      MATERIALS RESEARCH MEETING 2021 (MRM2021)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Crack Healing in Zirconia Ceramics under DC Current2021

    • Author(s)
      Koji Morita, Fuki Naito, Daisuke Terada
    • Organizer
      14th Pacific Rim Conference on Ceramic and Glass Technology (PACRIM 14)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] ジルコニアセラミックスの高温変形に対するDCおよびAC通電効果の検証2021

    • Author(s)
      森田 孝治, 金 炳男
    • Organizer
      粉体粉末冶金協会 2021年度秋季大会(第128回講演大会)
  • [Presentation] 外場効果を利用したセラミックスの焼結. 金属材料研究所ワークショップ2021

    • Author(s)
      森田孝治
    • Organizer
      金属材料研究所ワークショップ:「セラミックス材料をめぐる最近の研究動向」 ~セラミックス研究の現状と最新研究トレンドを俯瞰する~
    • Invited
  • [Presentation] 酸化物セラミックスの焼結とき裂修復に対する通電効果2021

    • Author(s)
      森田 孝治, 内藤 楓貴
    • Organizer
      日本金属学会 2021年秋期(第169回)講演大会
  • [Presentation] 高強度赤外透過MgO-Y2O3複合材の創製2021

    • Author(s)
      劉 麗紅, 森田孝治
    • Organizer
      日本セラミックス協会第34回秋季シンポジウム
  • [Presentation] DC Current effects on Creep Behavior of Zirconia Ceramics2021

    • Author(s)
      Koji Morita, Hidehiro Yoshida, Byung-Nam Kim
    • Organizer
      THERMEC'2021
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] パルス通電焼結装置を用いた酸化物の焼結における通電効果2021

    • Author(s)
      森田孝治, 金 炳男
    • Organizer
      粉体粉末冶金協会2021年度春季大会(第127回講演大会)
  • [Presentation] Segregation-controlled densification and grain growth in rare earth doped Y2O32021

    • Author(s)
      Moritz Kindelmann, Ke Ran, Wolfgang Rheinheimer, Martin Bram, Koji Morita, Olivier Guillon
    • Organizer
      96th DKG Annual Meeting
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ジルコニアの強電界下における高温変形時の活性化エネルギー2021

    • Author(s)
      森田孝治, 吉田英弘, 金 炳男
    • Organizer
      日本セラミックス協会2021年年会
  • [Presentation] 通電効果を利用したセラミックスの焼結と高温変形2021

    • Author(s)
      森田孝治
    • Organizer
      第167回超塑性研究会
    • Invited
  • [Remarks] 研究者プロフィール

    • URL

      https://samurai.nims.go.jp/profiles/morita_koji

URL: 

Published: 2023-12-25  

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