セラミック射出成形の焼結技術

先端セラミック材料は、エンジニアリング材料や機能性材料の重要な構成要素として、新エネルギー、通信エレクトロニクス、半導体、航空宇宙などの産業分野で幅広い応用が期待されています。しかし、セラミック粉末は主にイオン結合または共有結合化合物であるため、従来の焼結プロセスでは緻密な焼結体を得ることができません。 セラミック材料 より高い焼結温度とより長い保持時間が必要となり、必然的に粒子の粗大化と多孔性の残留を招き、 セラミック射出成形削減するために 金属焼結 焼結温度の上昇、焼結時間の短縮、焼結密度および材料特性の向上を目的として、研究者らはさまざまな新しい焼結技術を開発してきました。

放電プラズマ焼結（SPS）

SPS技術は、学術界で広く関心を集め、研究されている新しいタイプの急速焼結技術です。図1はその動作原理を示しています。

SPS技術は、直流パルス電流を 焼結プロセス圧子は、材料に圧力をかけながら電流を流すためのキャリアとして機能します。従来の焼結技術は、通常、加熱体の輻射加熱を使用しますが、SPSは、金型または導電性サンプルを通過する大電流の熱効果を利用して材料を加熱します。絶縁サンプルの場合、通常、導電性のグラファイトを金型材料として使用し、金型の抵抗熱を利用してサンプルを急速に上昇させます。導電性サンプルの場合は、絶縁金型を使用してサンプルに直接電流を流して加熱することができます。加熱速度は1000℃ /分に達することがあります。サンプル温度が設定値に達すると、短時間の保温で焼結を完了できます。

SPS 技術には、焼結温度が低い、保持時間が短い、加熱速度が速い、焼結圧力を調整できる、マルチフィールド結合 (電気-機械-熱) などの利点があります。

フラッシュ焼結（FS）

FS技術は、コロラド大学のColognaらによって、電界支援金属粉末焼結技術（FAST）の研究に基づいて2010年に初めて報告されました。

FS技術には、主に炉温（Tf）、電界強度（E）、電流（J）の3つのプロセスパラメータが関係します。図3Cは、従来のFSプロセスにおける各パラメータの変化傾向を示しています。このモードでは、材料に安定した電界が印加され、炉温は一定速度で上昇します。炉温が低い場合、材料の抵抗率が高く、材料を流れる電流は小さいです。炉温の上昇に伴い、サンプルの抵抗率は低下し、電流は徐々に増加します。この段階はインキュベーション段階と呼ばれ、システムは電圧制御されています。炉温が臨界温度まで上昇すると、材料の抵抗率が急激に低下し、電流が急激に上昇し、FSが発生します。この時点では電界強度はまだ安定しているため、システム電力（W = EJ）はすぐに電源の電力制限に達し、システムは電圧制御から電流制御に切り替わります。これをFS段階と呼びます。材料の抵抗率が上昇しなくなると、電界強度は再び安定し、焼結は安定段階、すなわちFSの絶縁段階に入ります。絶縁段階を過ぎると、FSプロセスは完了します。

従来の焼結と比較して、FS には、焼結時間を短縮し、焼結に必要な炉の温度を下げる、粒成長を抑制、非平衡焼結を実現できる、設備が簡単、コストが低いなどの利点があります。