グリーンボディから高密度セラミックへ――NETZSCH の「Termica Neo」が焼結プロセスを可視化

焼結中にセラミックの内部では何が起きているのでしょうか？

温度勾配、密度の変動、および熱流の変化は、すべて最終的な微細組織を形成します。
これまで、これらの動態は明らかにならず、収縮曲線や密度測定からの推定に頼るしかありませんでした。

NETZSCH Termica Neo は、その状況を一変させます。このソフトウェアは、焼結の動力学を温度、緻密化速度、および熱伝達の3Dマップに変換し、材料が層ごとにどのように緻密化していくかを可視化します。

窒化ケイ素（Si₃N₄）における温度および焼結度の3Dシミュレーション。セラミック焼結時の熱分布および緻密化分布を可視化したものである。 — 図：Si₃N₄における温度分布および焼結度の分布を示す3Dシミュレーション画像。

焼結シミュレーションの課題

焼結は、単に加熱するだけのものではありません。拡散、気孔率、熱伝導率が相互に作用し合い、それぞれが温度や密度によって変化します。
加熱炉内の温度が均一であっても、緻密化が均一になるわけではありません。形状や熱伝達状況によっては、中心部が加熱が遅れたり、過熱したりすることがあります。

NETZSCH のソフトウェア「Termica Neo」は、これらの現象を動的に関連付けます：

Kinetics Neo のモデルをインポートし、焼結速度と温度の関係を示します。
密度依存の熱伝導率を考慮します。
2Dまたは3D空間における温度、焼結速度、および焼結度（α）をシミュレーションします。

事例研究：窒化ケイ素（Si₃N₄）

Termica Neoによるシミュレーションでは、熱伝導率が劇的に向上していることが示されています。未焼結状態から完全焼結状態へと移行するにつれ、熱伝導率は約25倍に高まります。この変化により、内部の熱流が変化し、表面での緻密化が加速されます。このモデルでは、以下のことが予測されています。

長さ収縮率約17％、
40％の密度増加、
温度および緻密化の進行面が内側へ移動。

ここから得られる知見は、単に完全な緻密化を図るだけでなく、加熱速度と保持温度を制御することで、微小亀裂を生じさせることなく均質性を確保すべきであるということです。

事例研究：ジルコニアの最適化

Termica Neoは、ジルコニアに対して複数の加熱プロファイルを試験しました。最適化された72分間の焼結プログラムにより、応力を最小限に抑えつつ、均一な温度分布と緻密化分布が得られました。
加熱プロファイルにムラがある場合、中心部の温度が低くなり、焼結フロントの進行が遅れることが判明しました。これらは、プロセスを調整するための重要な指標となります。