固相焼結における粒界形成機構のフェーズフィールドモデリング

摘要

多結晶超伝導材料の作製方法の一つとして,超伝導化合物粉末を焼結するex situ法があり,鉄ニクタイド系や MgB_2超伝導体等の作製に用いられている. 焼結で形成する粒界の特性や分布が,多結晶超伝導材料の輸送特性に強く影響するため, 焼結中の粒界形成機構を理解することが重要である. 実験的な直接観察が難しい粒界形成過程を数値シミュレーションにより解析する方法として,フェーズフィールド(PF)法がある. PF法は,全自由エネルギー散逸定理に基づき状態変数の時間変化を解析する方法であり, 粒界移動のような移動界面問題の強力なソルバーである. PF法は, すでに構造材料の組織形成シミュレーションに応用されているが, 固相焼結への適用例は数少ない. とくに, 3次元シミュレーションの研究報告はほぼない. 本研究では, PF法に基づき固相焼結における粒界形成過程を理解するための3次元シミュレーション手法を構築することを目的とした. また, 従来の PF 法では考慮されないが, 焼結体の巨視的緻密化を表現するために必要な結晶粒の剛体運動を導入したPFモデルを構築するほか, 原子の拡散経路が粒界形成へ及ぼす影響を明らかにすることを目指した.