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A study on self-healing ceramics using microwave field as an external trigger

木村 奈津子 横浜国立大学 DOI:info:doi/10.18880/00013290

2020.06.15

概要

本研究は，自己治癒材料の新規自己治癒発現機構として，外部エネルギーの投入によって自己治癒を発現する機構の提案を目的としたものである。この外部エネルギーとして，マイクロ波場における化学反応の選択誘起減少に着目し，マイクロ波エネルギーによる局所性の加熱，一次性の反応，き裂の選択性について評価し，マイクロ波エネルギーを用いた自己治癒機構の基礎学理を確立した。その結果を以下のようにまとめる。

(1) 自己治癒エージェントとして有用である SiC を用いて，マイクロ波エネルギーによる局所性の加熱と一次性の反応を確認し自己発熱エージェントの有用性を確認した。マイクロ波エネルギーの吸収の高い SiC は，吸収の低い Al2O3 よりも選択的に加熱されることを確認した。SiC の酸化反応によって生成される CO(g)がトリガーとなって，マイクロ波プラズマを生成することを確認した。これらの結果を用いてマイクロ波エネルギーによる自己治癒の基本的なメカニズムを提案した。

(2) 熱特性の観点から SiC よりも有望である Al4SiC4 を選定し，マイクロ波加熱特性および高温酸化特性について，自己治癒機構の観点から有用性を評価した。Al4SiC4 はマイクロ波エネルギーによって加熱され，粒径が大きいほど昇温速度が速く高温まで到達することを確認した。次に，Al4SiC4 の高温酸化は 1450 oC までにほぼ完了しており，酸化ピーク温度 Tpは，昇温速度が速くなるほど高温側にシフトしており，酸化反応速度は温度に依存していることを確認した。また Kissinnger-plot の結果から，Al4SiC4 の自己治癒下限界温度は，SiC より 300 oC 低いため SiC より高速に自己治癒が可能であることがわかった。これらの結果から，Al4SiC4 はマイクロ波エネルギーによって加熱され，SiC よりも低い温度域で自己治癒を発現可能な物質であることから，有用性が示された。

(3) Al4SiC4 の局所性と一次性について，SiC と比較しその有用性を評価した。Al4SiC4 は， SiC と同様にマイクロ波プラズマの発生を確認した。さらに Al4SiC4 は微細化することで，接合強度が高くなることを確認した。マイクロ波プラズマは，電束密度の関係から気孔の電界強度が粒子より高くなることによって，粒子間の機構において発生すると考えた。このことから，Al4SiC4 はセラミックス内部に発生するき裂のような気孔においてもマイクロ波プラズマの生成は期待でき，治癒に有用であることが示された。

(4) Al4SiC4 と SiC の自己発熱エージェントを分散させた焼結体を用いて，マイクロ波エネルギーによる加熱挙動を確認し，選択性を評価した。マイクロ波エネルギーによって試験片全体には温度勾配が生じており，その結果試験片長手方向の酸化速度にも違いを生じた。試験片中心部が最も高温となり酸化が促進されていたことから，き裂の選択性が可能であることが確認された。

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