1980年代中頃にドイツのH.Gleiterらが，低温においてNanophase Ceramicsが大きな塑性変形性を示すことを報告したのをきっかけにして，新材料としてのナノフェーズ材料の研究が盛んとなった．ナノフェーズ材料の生成過程では，焼結の際の粒界形成や粒界滑り，更にクラスターの回転などといった様々な微視的現象が複雑に関わり合ってくると考えられるため，より現実に近い数値解析を目指す立場としては，実験状況と同じ程度の大きさの微粒子を100個以上配置した大規模なシミュレーションを行なえることが望ましい．筆者を含むルイジアナ州立大学並列材料計算研究所のメンバーは，総原子数百万個のナノフェーズSi₃N₄の並列MDシミュレーションを世界に先駆けて実施し，高温高圧下でのナノフェーズSi₃N₄の焼結過程および焼結体の室温での機械的特性を解析した．
高温高圧下で，ナノフェーズ・セラミックスは非常に速く（ナノ秒程度）ネックが成長し，空孔が消滅していく．微粒子界面付近でのナノフェーズ・セラミックスの粒子拡散は微粒子内部に比べ10倍以上速く，粒界付近の原子の動きやすさと粒径の小ささが，このように速い焼結過程を特徴づけている．
更に，微粒子内部に結晶構造を保ったナノ微結晶（上記のサイズとほぼ同じ）108個の集合に1700℃の温度下，異なる外圧で加圧することにより，様々な密度の焼結体“サンプル”を作った． 得られた焼結体の弾性定数の空孔度と粒径依存性に注目すると，密度比（空孔度に逆比例），粒径のいずれに対しても弾性特性が大きく依存することがわかる．粒径が小さく微粒子の体積に対する界面相の比が大きいため，粒界挙動がバルクな性質に与える影響が大きい．微粒子間境界相とバルク結晶相，および空孔のサンプル内体積比のそれぞれの相の弾性定数を重ね合わせる模型計算（多相構造模型）とシミュレーション結果との良い一致からも，上記の説明が裏付けられる．

カテゴリ: 物理
質問: 微粒子界面付近でのナノフェーズ・セラミックスの粒子拡散は微粒子内部に比べ何倍以上速いですか。
回答: 微粒子界面付近でのナノフェーズ・セラミックスの粒子拡散は微粒子内部に比べ10倍以上速いです。