質問: 固相焼結と液相焼結について 焼結について勉強しているのですが、本の中にこの二つの言葉(固相焼結と液相焼結)が出てくるものの詳しい説明が載っていません。この二つはどのようなものなのでしょうか?
回答: まず「焼結」ですが、「固体の粉体を高温(ただし融点以下)に加熱した場合、粉末の粒子が相互に結合し緻密な多結晶体となる現象」などと説明されるのはご存じかと思います。 粉体の粒子が、相互に・緻密に結合するには何らかの物質移動が必要です。 いま下の図のように二つの粒子aとbがあり、bがaと結合しながら飲み込まれつつある状況を考えてみます。周囲の環境は真空(あるいはこれらの物質と反応しない気相)だとします。 ___ / \ ←←表面拡散 │ ┃ ̄\ │ 粒子a ┃b │ │ ┃_/ ___/ 図1 固体の粒子のみ存在する場合 その際、粒子間の物質移動の経路は (1)abの界面(太線)を通じた固体内拡散 (2)物質表面での表面拡散 の2つのみです。このように系に液相が存在せず、固体である粒子間で直接物質のやり取りをして緻密化が進む現象を「固相焼結」と呼びます。 これに対し、上記の系が何らかの液体中に埋まっていた場合について考えてみます。粒子aとbの間にも液相は入り込むとします(毛細管現象です)。 ___ 液 相 / \ │ ││ ̄\ │ 粒子a ││b │ │ ││_/ ___/ ↑粒子間にも液相 図2 固体粒子が液相中に存在する場合 すると今度は、液相を介した溶解-析出過程を物質の移動経路として利用することが可能になります。このように系に液相が存在し、液相を介しての物質輸送が支配的である焼結を「液相焼結」と呼びます。 一般に固体内の拡散に比べ液体中の物質拡散ははるかに速く、また液相を介すことで直接接していない粒子間の物質移動も可能となるため、通常は液相焼結の方が固相焼結より速く進みます。 実際の焼結過程では、焼結させたい物質より融点が低く、かつ焼結させたい物質を液相になったときよく溶かすような物質を原料粉末に混ぜておきます。この粉体を加熱すると加えた物質が液相となるわけです。あるいはある種のセラミックスの焼結のように、粒子表面の自然酸化層が添加物と反応して液相を形成する例もあります。 なお液相が生成すると粒子の再配列が起きやすくなり、これも焼結の促進に寄与します。