セラミック材料が焼結されるとき、その特性を著しく向上させる変質プロセスを経る。このプロセスでは、材料を融点以下の温度まで加熱し、圧密化と緻密化を行います。
4つの重要なステップ
1.加熱と拡散
セラミック材料は、最初は粉末状または「圧粉体」であるが、融点以下の高温に加熱される。この加熱により、表面エネルギーの低下により、粒子間の拡散が促進されます。
2.高密度化と特性向上
粒子が拡散して結合すると、材料内の気孔は小さくなるか、完全に閉じられる。その結果、強度、硬度、場合によっては透光性や導電性などの機械的特性が改善された、より高密度な材料が得られる。
3.収縮と変形
焼結中、材料は一般的に粒子の圧密による収縮を経験する。例えば、ジルコニアはその結晶構造を変化させ、密度と強度を著しく向上させる。
4.詳細説明
加熱と拡散
焼結は、セラミック粉末に熱を加えることから始まります。セラミック粉末は、多くの場合、加熱前に所望の形状に圧縮されます。熱によって粒子が軟化し、原子の拡散が起こります。この拡散は、粒子間のギャップを埋め、ネックを形成し、徐々に単一の、よりまとまりのある構造に融合させるため、非常に重要です。
緻密化と特性向上
焼結の主な目的は緻密化であり、材料内の気孔率を低下させることです。粒子が結合し、気孔が減少するにつれて、材料はより緻密で強固になります。このプロセスは機械的特性を向上させるだけでなく、電気伝導性や耐熱性といった他の特性も高めることができる。例えば、ジルコニアは焼結すると単斜晶相から正方晶相に転移し、硬度と強度が著しく向上する。
収縮と変形
焼結の特筆すべき点は、材料が固まる際に起こる収縮である。この収縮は予測可能であり、設計と製造プロセスで考慮されます。焼結中のジルコニアの結晶構造の変化は、材料が収縮するだけでなく相変化を起こし、機械的特性が飛躍的に向上する具体的な例です。
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