氏名　佐藤　和好
学位の種類　博士（工学）
学位記番号　博甲第300号
学位授与の日付　平成16年3月25日
学位論文題目　Relationship between the Strength and the Processing Defects in Alumina Ceramics　（アルミナセラミックスにおける強度とプロセス依存性欠陥との関係）
論文審査委員
　主査　教授　植松　敬三
　副査　助教授　内田　希
　副査　教授　小松　高行
　副査　教授　齋藤　秀俊
　副査　教授　武藤　睦治

• 論文目次
• 論文要旨

［平成15（2003）年度博士論文題名一覧］ ［博士論文題名一覧］に戻る．

Table of Contents
Table of Contents　p.1
List of Publications Regarding on This Thesis　p.5
List of Other Publications　p.6
Acknowledgements　p.7

Chapter1 General Introduction　p.1
　1.1 Background　p.1
　1.2 Purpose and outline of this thesis　p.2
　References of Chapter1　p.5

Chapter2 Literature Survey　p.6
　2.1 Theoretical defect models in the past studies　p.6
　2.2 Effect of grain size on the strength of ceramics　p.10
　2.3 Effect of porosity on the strength of ceramics　p.13
　2.4 Development of pores during sintering　p.14
　2.5 Direct characterization of large defects in green and sintered bodies　p.16
　References of Chapter2　p.17

Chapter3 Development of Direct Characterization Method for the Detailed Structure of Processing Defects　p.24
　3.1 Introduction　p.24
　3.2 Experimental procedure　p.25
　3.3 Results　p.26
　3.4 Discussion　p.30
　3.5 Conclusions　p.33
　References of Chapter3　p.34

Chapter4 Development of Fluorescent Dye Impregnation Method and Application for the Measurement of Short-Crack Fracture Toghness　p.36
　4.1 Introduction　p.36
　4.2 Experimental procedure　p.38
　4.2.1 Confocal Scanning Laser Fluorescent Microscope（CSLM）　p.38
　4.2.2 Sample preparation and methods　p.39
　4.3 Results　p.42
　4.4 Discussion　p.43
　4.5 Conclusions　p.46
　References of Chapter4　p.47

Chapter5 Direct Study on the Processing Defects and Their Relevance to the Strength of Commercial Alumina Ceramics　p.50
　5.1 Introduction　p.50
　5.2 Experimental procedure　p.52
　5.2.1 Sample preparation and characterization　p.52
　5.2.2 Prediction of strength distribution　p.53
　5.3 Results　p.54
　5.4 Discussion　p.61
　5.5 Conclusions　p.64
　References of Chapter5　p.65

Chapter6 Evolution of Large Defects in the Final Stage of Densification　p.68
　6.1 Introduction　p.68
　6.2 Experimental procedure　p.69
　6.3 Results　p.71
　6.4 Discussion　p.77
　6.5 Conclusions　p.79
　References of Chapter6　p.80

Chapter7 Origin of the Strength Reduction with Grain Growth in Alumina Ceramics　p.83
　7.1 In a Case of High Purity Alumina　p.83
　7.1.1 Introduction　p.83
　7.1.2 Experimental procedure　p.85
　7.1.3 Results　p.86
　7.1.4 Discussion　p.93
　7.1.5 Conclusions　p.96
　7.2 In a Case of Industrial Grade Alumina　p.97
　7.2.1 Introduction p.97
　7.2.2 Experimental procedure　p.98
　7.2.3 Results　p.99
　7.2.4 Discussion　p.106
　7.2.5 Conclusions　p.108
　References of Chapter7　p.109

Chapter8 Fabrication of High Strength Alumina Ceramics with Colloidal Processing　p.113
　8.1 Intruduction　p.113
　8.2 Experimental procedure　p.114
　8.3 Results　p.116
　8.4 Discussion　p.119
　8.5 Conclusions　p.121
　References of Chapter8　p.122

Chapter9 Summary and Conclusions　p.124

構造用セラミックスとして最も広く用いられているアルミナをモデル材として、セラミックスにおけるプロセス依存性欠陥の形成と発達、そしてそれらが強度に及ぼす影響を系統的に評価した。
これらの関係を評価するために、まず、二つの新規評価法を開発した。一つは、セラミックス中に僅かに存在する粗大欠陥を詳細に評価するという方法であり、これまでの光学顕微鏡によるセラミックスの内部構造観察を発展させたものである。これにより、これまで、評価することができなかった粗大欠陥の詳細な構造を観察することができ、これらの生成原因を明らかにすることに成功した。もう一つは、破壊靱性測定時の亀裂の大きさを精密に決定するための観察法である。破壊靱性はセラミックスの強度を決定する重要な因子である。破壊靱性の決定には人工的に導入した欠陥の大きさとその試料の破壊応力を知る必要がある。しかし、従来の電子顕微鏡による観察法では、亀裂先端の微細な亀裂の観察が困難であり、また、粒子径の大きな試料では、亀裂の位置の特定さえ不可能な場合があった。本研究では亀裂に蛍光染料を含浸させ、破壊後に破面にレーザーを照射し、蛍光染料の分布から亀裂のサイズを決定するため、対象となる試料の粒子径や材質に依存することなく、高い分解能で亀裂を観察することが可能である。
これらの方法を用いて、はじめに、市販されているアルミナセラミックスの内部構造を評価し、それによって得られた欠陥の分布から強度の予測が可能であるかを確認した。これらのセラミックス中には気孔、亀裂状欠陥、小さな気孔の集合体、またはこれらが複雑に配置した構造をもつ欠陥が存在していたが、これら全てを等価長さの亀裂と仮定して強度を予測した。欠陥分布がその試料全体の構造を代表するように、広範囲を調査し、この分布および破壊靱性をもとに予測した強度は、その平均値だけでなく、分布においてもほぼ完全に実測値と一致した。また、観察された欠陥を全て球状の気孔と仮定し、従来の破壊力学計算をもとに算出した強度のワイブル係数は実測値のそれよりも数倍大きかった。この結果は、観察された欠陥を気孔として取り扱うことで、そのセラミックスの特性を過大評価してしまう危険性を示している。セラミックスの強度はその微構造、特に粒子径に強く依存することが経験的に知られており、粒子径の増加に伴い強度は低下する。この経験的な関係は、セラミックスにおける微構造設計の重要な指針となっている。しかしながら、その原因は未だに明らかになっていない。セラミックスの材料設計をより高度化するために、その原因を明らかにすることが不可欠である。本研究では、セラミックス中の粗大欠陥の粒成長に伴う成長という観点から、この原因を明らかにすることを試みた。欠陥の詳細な観察には本研究で開発した新規評価法を用いた。その結果、セラミックス中のプロセス依存性欠陥は粒成長に伴い、粗大化し、またその形状も変化することが明らかになった。また、その欠陥分布から予測した強度は、実測値と非常に良い一致を示した。これは、粒成長に伴い粗大化した欠陥が、材料強度を支配しているということを直接示している。つまり、セラミックスの強度を直接支配する因子はプロセス依存性欠陥であり、粒子径の影響はあくまで副次的な現象であることがわかる。
これまでに、材質中の粗大なプロセス依存性欠陥がセラミックスの強度を支配することを示した。その知見をもとに、通常の市販のセラミックス程度の粒子径を持つセラミックスでの高強度化を試みた。そのための成形法として、鋳込み成形を用いた、通常の鋳込み成形では鋳型として石膏を用いるが、鋳型から溶出するカルシウムがアルミナの異常粒成長を促進し、機械的性質を低下させることが知られている。本研究では多孔質のアルミナを鋳型として用いることにより、試料の汚染を防ぐとともに、スラリーの固体含有率を下げて、流動特性の良いスラリーを成形に用いた。その結果、粒子径が2.5 mという通常のアルミナセラミックス程度の粒子径にも関わらず564MPa平均曲げ強度が得られた。これは通常の同程度の粒子径を有するアルミナセラミックスの約1.5倍もの高強度である。内部構造観察の結果、やはり内部の欠陥は小さく、その数も少なかった。即ち、さらなるプロセスの高度化により、高強度、高信頼性セラミックスが実現可能であるということを直接的に示している。