セラミックスにおける焼結とは、セラミックス材料を、多くの場合加圧下で加熱し、その特性を向上させる変形プロセスである。
セラミックスの焼結とは？
焼結は、熱と場合によっては圧力によってセラミック材料を変化させるプロセスです。
このプロセスにより、気孔率が減少し、粒子密度が高まり、強度や透光性などの特性が向上します。
セラミック粉末粒子を融点以下の高温に加熱します。
これにより原子がより強固に結合し、表面エネルギーが減少し、緻密化と機械的特性の向上につながります。
1.変形と圧密
焼結は、セラミック材料を融点以下の温度に加熱することで変質させます。
このプロセスによりセラミック粉末粒子は圧密化し、より強固に結合します。
圧密は、蒸気-固体界面の減少に伴う表面エネルギーの低下によって促進されます。
この結合は、より緻密で強固な材料を形成するために極めて重要である。
2.気孔率の低下と密度の増加
焼結中、セラミック材料内の気孔は減少するか、完全に閉じます。
この気孔率の減少により、材料の密度が大幅に増加します。
緻密化プロセスは、セラミックの機械的特性を向上させ、耐久性を高め、さまざまな環境要因に耐えるようにするために不可欠です。
3.機械的特性の向上
焼結は、セラミックの機械的特性を大幅に向上させます。
このプロセスは、材料の強度と硬度を高めるだけでなく、引っかき傷、極端な温度、水、汚れに対する耐性も向上させます。
例えば、一般的に焼結されるセラミックであるジルコニアは、チョークのような材料から、非常に硬く緻密な物質へと変化し、摩耗や引き裂きに対して高い耐性を持つようになります。
4.収縮と材料の変化
焼結の顕著な特徴の1つに、材料の収縮があり、ジルコニアの場合は25%にもなります。
この収縮は、材料が固化して緻密化する際に起こる。
さらに、セラミックの物理的な外観や質感が劇的に変化することもあります。
例えば、ジルコニアは単斜晶から多方晶へと結晶状態が変化し、外観や質感がチョーク状から硬く緻密な材料へと変化します。
5.熱と圧力の利用
焼結の主な要因は熱であるが、プロセスを促進するために圧力を加えることもできる。
この組み合わせは、セラミック材料に所望の特性を持たせるために極めて重要です。
しかし、特に特定の高度な技術や材料を用いれば、無加圧焼結も可能です。
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