セラミックの焼結は、セラミック粉末粒子を、融点以下の高温に加熱して「グリーン」な成形品に固めるプロセスである。
このプロセスでは、分離した粒子から隣接する粒子に材料が拡散し、表面エネルギーの低下と気孔の閉鎖につながります。
その結果、機械的特性が改善された高密度部品が得られる。
6つの主要ステップ
1.グリーン・コンパクトの加熱
このプロセスは、成形済みだが未焼成のセラミック部品である「グリーン」コンパクトから始まります。
この部品は、粒子間の結合を開始するのに十分な温度まで加熱されますが、溶融を引き起こすほど高くはありません。
この温度は通常、セラミック材料の融点のすぐ下です。
2.拡散と結合
温度が上昇すると、粒子の表面エネルギーが低下し、これが焼結の原動力となります。
粒子は拡散を始め、粒子表面の物質が粒子間の接触点に移動することを意味します。
このプロセスは、原子がより自由に移動できる高温によって促進される。
3.細孔の減少と緻密化
拡散プロセスにより、セラミック部品内の気孔が減少し、しばしば閉鎖されます。
気孔は、材料を弱める可能性のある材料内の空間です。
これらの気孔が減少または閉鎖すると、部品はより高密度になり、これは高密度化として知られるプロセスです。
この高密度化により、強度や耐久性といったセラミックの機械的特性が大幅に向上します。
4.特性の向上
緻密化以外にも、焼結はセラミックの特性を高めることができます。
例えば、ジルコニアは焼結中に構造変化を起こし、単斜晶から多方晶に変化します。
この変態により、ジルコニアの密度、強度、透光性が向上し、耐久性の高い機能的な材料となる。
5.プロセスのバリエーション
焼結は、圧力や電流などの力を加えて行うことができる。
加圧焼結は一般的で、緻密化プロセスをさらに高めることができる。
また、傾斜した金属-セラミック複合材やナノ粒子焼結助剤など、特定の技術や材料を用いて無圧焼結を行うこともできる。
6.セラミック製造への応用
焼結は、陶器を含むセラミック製品の製造において重要なステップである。
セラミック粉末を水、結合剤、脱凝集剤と混合してスラリーを形成することから始まり、成形、乾燥、そして最後に高温での焼結という一連の工程を経る。
この工程は、セラミック材料を強化するだけでなく、機能性と耐久性を大幅に向上させます。
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