粒子スケールのミクロ力学系としての焼結原理

摘要

セラミック部材を効率よく製造する焼結技術は熱エネルギーを利用して粉体粒子の集合体を緻密な材料に変換するプロセスであるが，複雑な現象であり，焼結中に形成される欠陥のために強度の再現性や均一性には問題がある．また，焼結中の収縮を予測することは，製品の寸法精度を保証する上で重要である．これらの課題を解決するための手がかりは，焼結現象を深く突き詰め，理解し，制御するところから見いだされるだろう．焼結現象の本質は粒子間結合の形成である．結晶粒間のミクロ界面の形成とも言える．混沌としている物質世界もその奥底を流れているものは，実に明快，論理的なものがある．粒子を構造ユニットとするえケールでの結合形成の背後にも，明快なミクロ力学原理がある．複雑な焼結の本質を2粒子間の相互作用として最初に解析したのはFrenkelである．表面や界面の形によるごくわずかな化学ポテンシャルの違いは，高温での原子のランダム運動を通じて，粒子の形を変えていく．焼結のおもしろさは粒子の「かたち」自体が力を生み出し，自らの姿を変化させることにある．逆に「かたち」の変化を解析することによって，その背後に働く力を見通すことができる．もし，力を知り，自在に操ることができるのなら，思いのままに微視的な構造を制御する道が開けるだろう．焼結における収縮は粒子間距離の減少，つまりは，粒子の相互運動である．運動の背後には「力」がある．ここでは，その熱力学的な駆動力（焼結力，Sintering force）に関する考え方を解説する．