[論文レビュー] Thermodynamic Theory of Sintering and Swelling

Yuri Kornyushin|ArXiv.org|Jan 30, 2007

Advanced materials and composites参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、放射線や電磁場からの体積加熱のような条件下における材料の焼結および膨張の熱力学的理論を提示する。内部熱発生に起因する駆動力のモデル化を目的として、ミクロスコピック的時間スケールの緩和時間アプローチを導入し、焼結動力学、微細組織の進化および膨張への影響を分析する。核材料およびマイクロエレクトロニクス部品への応用を含む。

ABSTRACT

The General Thermodynamic Theory of Sintering, formulated by the author in 1998 is given. This theory is applied to the problem of swelling of materials under conditions of radiation. Driving forces, caused by the presence of the evolution of heat in the volume of a sample (electric contact, hf, inductive heating or penetrating radiation, e.g., neutrons could be the sources of the heat in the bulk of a sample) are considered. The influence of these driving forces on sintering, structure and properties is discussed. The role of mobile and immobile dislocations, grain boundaries, and pores is regarded. Cycling and pulsing regimes of sintering are investigated. A mesoscopic approach, described in present paper, which had been used for years to solve sintering problems, also could help solving problems of nucleation, decomposition, and other problems in the theory of alloys. Described relaxation time technique could help simplifying calculations and give more clear physical picture. Bulks heating driving forces, important for small size objects of microelectronics or/and heat evolving elements in nuclear reactors, are important also for the problems of nucleation and decomposition in these objects.

研究の動機と目的

• 1998年の焼結の熱力学理論を、体積加熱条件下での膨張を含めるように拡張すること。
• 中性子線照射、誘導加熱、またはラジオ周波数加熱などの内部熱源が焼結および構造的進化に与える影響を分析すること。
• 移動性および不動性の不純度欠陥、結晶粒界および孔が焼結および膨張プロセスに果たす役割を調査すること。
• 微細組織および物性の制御を高めるために、焼結のサイクルおよびパルス加熱レジームを検討すること。
• ミクロスコピック的緩和時間技術が合金の核生成および分解現象に広く適用可能であることを示すこと。

提案手法

• 内部熱発生下での焼結ダイナミクスを記述するため、ミクロスコピック的緩和時間形式を適応する。
• 電気的接触、RF、または中性子線照射に起因する体積的熱放出に起因する駆動力のモデル化を行う。
• 不純度欠陥の可動性、結晶粒界の移動および孔の進化を熱力学的枠組みに統合する。
• 周期的およびパルス的焼結レジームに理論を適用し、微細組織的および機械的応答を評価する。
• 焼結および膨張中の自由エネルギー変化を記述する一般化された熱力学的ポテンシャルを用いる。
• 運動論的計算を簡略化し、物理的解釈を明確にするために緩和時間の式を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 放射線や電磁場などの内部熱源が多結晶材料の焼結および膨張をどのように駆動するのか。
• RQ2 体積加熱下で、移動性と不動性の不純度欠陥が焼結および膨張を媒介する役割を果たすのはどのようなものか。
• RQ3 結晶粒界および孔が、パルス的またはサイクル的焼結における微細組織の進化にどのように影響を与えるか。
• RQ4 緩和時間技術が焼結運動論および熱力学的安定性のモデリングをどのように改善するか。
• RQ5 ミクロスコピック的アプローチを、放射線被曝または加熱された材料における核生成および相分解を予測するために拡張可能か。

主な発見

• 内部熱源を熱力学的ポテンシャルに組み込むことで、本理論は体積加熱下における焼結および膨張を効果的に記述できた。
• 緩和時間形式により運動論的計算が簡略化され、焼結ダイナミクスの物理的解釈が明確になった。
• サイクルおよびパルス加熱レジームが微細組織の進化に影響を与えることが示され、密度の制御的上昇および膨張抑制の可能性が示された。
• モデルは、中性子線照射に起因する体積内熱発生が、外部圧力がなくても顕著な膨張および構造的変化を引き起こす可能性があると予測した。
• 本アプローチは、マイクロエレクトロニクスおよび核材料における核生成および相分解現象の問題に拡張可能である。
• 本理論は、局所的加熱が重要な微細電子部品および原子炉材料における熱発生部品の分析フレームワークを提供する。