高温処理セラミックス気孔率制御技術と産業応用

高温処理セラミックス気孔率制御技術

高温処理セラミックス焼結メカニズムと気孔率変化

セラミックスの高温処理における気孔率制御は、焼結プロセスの核心的技術です。焼結温度が1100℃から1200℃に上昇すると、ジルコニアが単斜晶から多方晶に変化し、粒子密度が劇的に増加して気孔率が大幅に減少します。この現象は粒子間の拡散プロセスが促進されることで起こり、材料の緻密化と機械的特性の向上をもたらします。
参考）セラミック製品の気孔率に影響を与える要因とは？優れたセラミッ…

 

焼結における気孔の除去メカニズムは以下の要因に大きく左右されます。

• 初期気孔率：圧粉体の初期気孔率が高い場合、特に気孔径が均一であれば、境界拡散距離が短くなるため気孔の消失が加速されます

  参考）焼結における気孔率とは？主な要因とメカニズムを解説 - Ki…

   

• 焼結温度：温度上昇により拡散プロセスが促進されますが、過度の加熱は結晶粒の成長を引き起こす可能性があります
• 保持時間：長時間の焼結により、特に純酸化物セラミックスでは気孔率がさらに減少します

研究によると、1500℃で焼結したAl2O3支持体では気孔率が18.8%まで低下し、連続貫通孔は残るものの緻密体寄りの力学特性を示すことが確認されています。
参考）https://kaken.nii.ac.jp/file/KAKENHI-PROJECT-20H02431/20H02431seika.pdf

 

高温処理多孔質セラミックス構造制御技術

多孔質セラミックスの構造制御は、気孔の形状、サイズ、分布を精密に調整する技術です。現代の製造技術では、気孔率を97%以上、密度0.17g/cm³程度まで制御可能な超高気孔率セラミックスの製造が実現しています。
参考）多孔質セラミック｜Orbray株式会社

 

気孔構造の分類と特徴。

• 開気孔構造：外部とつながった気孔で、フィルターや触媒担体に適用
• 閉気孔構造：独立した気孔で、断熱材料に有効
• 配向気孔：一方向に配列した気孔で、強度と剛性を両立

ゲル化凍結法による超高気孔率多孔体の開発では、造孔剤を使用せずに気孔構造を制御する技術が確立されています。この手法により、数十μmの微細な気孔径でありながら、閉気孔をほとんど含まない高気孔率材料の製造が可能となりました。
参考）https://www.semanticscholar.org/paper/4a78194a35a92270d4b067704cfaf9930fca361c

 

独自の技術として、粒子の分散状態を適切にコントロールし、焼結工程での収縮を抑制することで、配向した気孔と組織によって10,000倍以上の重量を支える剛性と強度を実現する技術があります。

高温処理気孔率測定評価技術

気孔率の正確な測定と評価は、セラミックス材料の品質管理において極めて重要です。超音波を用いた非破壊測定技術により、成形体および焼結体の気孔率と組成を同時に測定することが可能になっています。
参考）https://www.semanticscholar.org/paper/f2b7e296513315221563cacc847e63a8ef1b0033

 

主要な測定手法。

• 細孔容積率測定：液浸法による開気孔率の定量評価
• 相対密度測定：理論密度に対する実際の密度比から気孔率を算出
• 細孔径分布解析：水銀圧入法やガス吸着法による詳細な孔径分析

プラズマ溶射によるセラミックス被膜では、電気化学的方法による貫通気孔率の評価技術が開発されており、被膜の腐食挙動予測に活用されています。
参考）https://www.semanticscholar.org/paper/6f2faff7a293439c544d86c35b0ee10dc4d0dfbf

 

また、摩擦発熱現象を利用したポーラス材料製造において、試料重量が50gの時に65%の気孔率、90gでは45%の気孔率となり、セラミックス付着量の増加に伴って気孔率が直線的に低下する関係が実証されています。
参考）https://antique.oita-ri.jp/wp-content/uploads/2015/05/1993_05.pdf

 

高温処理環境下気孔率変化予測モデル

高温処理環境における気孔率変化の予測は、プロセス最適化において重要な技術です。Cf/SiC複合材料の研究では、2000℃という極限温度でのセラミックス挙動が詳しく調査されています。
参考）https://www.mdpi.com/2079-4991/14/1/72/pdf?version=1703585014

 

予測モデルの構成要素。

• 温度依存性係数：各温度帯での拡散速度定数
• 時間関数：保持時間と気孔率減少の相関関係
• 材料固有パラメーター：粒径、初期密度、化学組成の影響

過熱水蒸気による高速脱脂プロセスでは、従来の10倍高速での脱脂が可能であり、焼結体での内部亀裂発生を抑制できることが実証されています。この技術により、処理温度上昇に伴う炭素除去率の増加パターンが定量的に予測可能となりました。
参考）https://omu.repo.nii.ac.jp/record/12263/files/k2035.pdf

 

HIP（Hot Isostatic Pressing）法では、高温高圧ガス雰囲気下での粉末焼結により残留気孔の除去が効率的に行われ、機械的特性の向上と信頼性の確保が実現されています。
参考）セラミックスの燒結における高温等方加圧（HIP）法の適用技術…

 

高温処理気孔率産業応用戦略

気孔率制御技術の産業応用は多岐にわたり、各分野の要求性能に応じた最適化が重要です。日本ガイシが開発したAIRSICは、超高気孔率セラミックスとして断熱材分野で画期的な性能を示しています。
参考）超高気孔率セラミックスAIRSIC

 

主要応用分野と要求特性。

• フィルター用途：開気孔率90%以上、均一な孔径分布
• 断熱材用途：閉気孔主体、熱伝導率0.018W·m⁻¹·K⁻¹以下

  参考）https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC12061319/

   

• 触媒担体：高表面積、化学的安定性、耐熱性1500℃以上
• 構造材料：気孔率20%以下、高強度・高剛性

航空宇宙分野では、SiC@SiO₂セラミックファイバーエアロゲルが異方性熱特性を活用した断熱材として注目されています。この材料は繊維に垂直方向で極低熱伝導率を実現し、かつ5倍高い熱伝導率を長軸方向で示すという特異な性質を有します。
3Dプリンティング技術の発展により、複雑形状の多孔質セラミックス部品製造が可能となり、従来の成形限界を超えた応用展開が期待されています。特に自動車産業では、熱応力分布の最適化による部品損傷防止技術として活用されています。
参考）https://www.mdpi.com/2073-4360/14/5/991/pdf

 

日本セラミックス協会による熱間等方圧焼結技術の詳細な解説
日本ガイシのセラミック材料製造プロセスに関する技術情報
この分野の技術革新は、環境負荷低減と省エネルギー化を同時に実現する次世代材料技術として、今後さらなる発展が期待されます。特に金属加工業界では、高温処理時の熱効率向上と品質安定化において、気孔率制御技術が重要な役割を果たしています。