セラミックスの焼結と焼結添加剤の使い方、偏析の抑制

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プログラム

第1部 セラミックス焼結と粒界原子構造

(2026年5月22日 10:00〜11:30)

　焼結の基礎と最近の研究動向を概観するとともに、先端電子顕微鏡を用いた粒界原子構造解析の最前線を紹介する。あわせて、粒界の原子構造および材料特性との相関性について詳述する予定である。

  1. 焼結の基礎
    1. 緻密化
    2. 粒成長
    3. ドーパント
    4. 焼結の最近動向
  2. セラミックスの微細組織
    1. 多結晶
    2. 粒界
    3. 対応格子理論
    4. 粒界偏析
    5. 粒界析出
    6. 粒界拡散
  3. 粒界原子構造解析手法
    1. 走査透過型電子顕微鏡 (STEM)
    2. エネルギー分散型特性X線分析 (EDS)
    3. 電子エネルギー損失分光法 (EELS)
    4. 先端電子顕微鏡法の最近動向
  4. 粒界原子構造解析の実例
    1. アルミナ粒界偏析の具体例
    2. ジルコニア粒界偏析の具体例
    3. アルミナ粒界移動の直接観察

第2部 セラミックスの焼成プロセスのシミュレーション技術

(2026年5月22日 12:10〜13:40)

　焼結プロセスは、セラミックスや金属などの製造工程として幅広く活用されている。焼結は粉末が結合し緻密化する現象で、複数の物質移動の機構から成り立っており、その制御は簡単ではない。そのため、実際の製品開発においては技術者のノウハウに頼ったトライアンドエラーによる問題解決が図られている。このような状況を改善するため、我々は支援ツールとしての焼結シミュレーションを開発している。本講座によって焼結現象の原理やその焼結シミュレーションを知っていただき、将来的に焼結シミュレーションを活用した焼結プロセスの高効率化や改善について検討していただきたい。 　セラミックスや金属の一部では、微細な原料粉末を成形後、炉によって高温で加熱して緻密化を図る焼結工程を行うことで製品を得ており、この焼結工程は製品の特性を大きく左右する重要な工程である。焼結工程では、微細な粉末同士の結合と緻密化 (収縮) が同時に起こり、そのため、実際に焼結材料を開発・製造する場合には微細組織から部材形状に至るまでの幅広いスケールにおいて多くの問題が起こり得る。このような問題を克服するにあたり、現状では試行錯誤によってプロセスの最適化を行っていることがほとんどである。 　JFCCでは微細組織の焼結現象をシミュレートするモンテカルロ法 (MC) や、微細組織変化と部材変形を同時に計算する手法としてMCと粘塑性有限要素法 (FEM) を連携させた独自の手法を開発している。本講座では、焼結現象のメカニズムや焼結シミュレーションの原理、また、ものづくり支援ツールとしてのシミュレーション事例や活用方法などについて述べる。

  1. 焼結とは
    1. 焼結とは何か
    2. 焼結のメカニズム
  2. 焼結シミュレーション開発の背景
    1. 焼結プロセスの実際
    2. 焼結シミュレーション開発の動機
    3. 焼結シミュレーションの特徴
  3. 焼結時の組織変化ミクロシミュレーション (MC手法)
    1. 原理
    2. シミュレーションの事例
  4. 焼結時の形状変化マクロシミュレーション (MC-FEM連携手法)
    1. 原理
    2. シミュレーションの事例
  5. 焼結シミュレーションの活用方法
    1. シミュレーションでわかること適用分野例
    2. 焼結シミュレーションソフトウェアSinterProの紹介

第3部 アルミナや酸化マグネシウムなどの焼結助剤を用いたセラミックスの焼結挙動と熱伝導率

(2026年5月22日 13:50〜15:20)

　本講座の趣旨は、半導体の放熱基板として使用されている窒化アルミニウム (AlN) セラミックスの焼結挙動に対する焼結助剤の作用や役割を、化学反応とAlNの結晶構造の変化をもとに解説する事により、より高い熱伝導率をもつAlNセラミックス得るための焼結条件を示す事である。

  1. 物質としてのAlN
    1. AlNの化学的性質
    2. 結晶構造
  2. セラミックスとしてのAlN
    1. AlNセラミックスとその用途
  3. AlNのセラミックス化のための熱処理条件 (電気炉を含む)
    1. 様々なセラミックス用電気炉
    2. 熱処理用雰囲気
  4. AlNセラミックス化に対する焼結助剤の役割とメカニズム (化学反応を含む)
    1. 焼結挙動 (セラミックス化) と固相拡散
    2. セラミックス化中における焼結助剤の物理変化と化学変化
    3. 溶解再析出機構
  5. AlNの結晶構造とセラミックス化の関係
    1. AlNの結晶構造と構造内の酸素欠損
    2. 酸素欠損と固相拡散
  6. AlNセラミックスの熱伝導率
    1. AlNの熱伝導率と酸素欠損
    2. カーボン還元反応と酸素欠損と熱伝導率

第4部 固体電解質セラミックスの焼結性向上と焼結助剤の偏析抑制

(2026年5月22日 15:30〜17:00)

　緻密な機能性セラミックスを作製するため、焼結助剤成分の偏析を抑制可能な添加技術について固体電解質材料の焼結を例にして解説する。また適用できるケースは限られているが、焼結体内部の粒界などの状況を、電気化学測定及び解析から評価する技術について紹介する。

  1. 焼結助剤成分添加の課題
  2. 原料粉末へのコーティング技術
    1. 焼結助剤前駆体溶液の合成
    2. 湿式法によるコーティング技術
  3. 放電プラズマ焼結を含む焼結技術
    1. 焼結助剤成分添加方法の違いによる焼結性改善効果への影響
    2. 焼結助剤成分の偏析状態について
  4. 電気化学的手法による分析
    1. ナイキストプロット及びボード線図からの解析
    2. 活性化エネルギーからの解析
  5. まとめ

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