放電プラズマ焼結によって製造された透明な SiO2 ガラスの緻密化

Scientific Reports volume 12、記事番号: 14761 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

最近、放電プラズマ焼結 (SPS) は、固体セラミックを製造するための魅力的な方法となっています。 SPS は圧力を利用した低温プロセスであるため、準備されたサンプルの構造特性に対する温度と圧力の影響を調べることが重要です。 本研究では、SPS によって製造された SiO2 ガラスの製造条件と物理的および構造的特性との相関を調べました。 SPS-SiO2 ガラスは、従来の SiO2 ガラスと比較して、密度と弾性率が高くなりますが、X 線全構造因子のシャープな第一回折ピークの高さが低くなります。 マイクロラマンおよびマイクロ IR スペクトルは、SiO2 粉末とグラファイトダイの間の界面に不均一領域が形成されていることを示唆しています。 光吸収スペクトルで観察される欠陥形成を考慮すると、還元反応は主に SPS-SiO2 ガラスの緻密化に影響を与えます。 したがって、界面での反応は、SPS 技術によって調製された固体材料の構造と物理的特性を調整するために重要です。

セラミックスは、熱安定性や化学的耐久性に優れた機能性材料として注目されています。 持続可能な開発目標（SDGs）を考慮すると、機能性材料の製造は科学的だけでなく環境的にも重要です。 透明セラミックスはさまざまな光学用途に使用されるため、利用可能な製造方法と材料が世界中で研究されています。 従来のセラミックスの合成にはエネルギーが必要であり、エネルギーを使わない製造プロセスはSDGsの重要な側面です。 透明な材料を得る準備方法の 1 つは、放電プラズマ焼結 (SPS)1、2、3、4、5、6、7、8、9、10 です。 SPS法は、従来のセラミック合成法に比べ、電気エネルギーと放電プラズマ1の高エネルギーを利用することで、低温・短時間での焼結を可能にします。 得られる固体のサイズは限られていますが、高圧および低温での焼結は、蛍光体などの新しい機能性材料の調製にとって魅力的です7、8、9、10。

SPSにより得られる固体材料の特性は、従来の材料や従来の焼結により得られる材料とは異なることが報告されています。 SPS 技術は材料の製造のために開発されたため、研究者にとって機能性が最優先事項であるようです。 物理的および構造的特性の詳細な研究は、材料の分析だけでなく、SPS 技術の向上にとっても重要です。 それにもかかわらず、分光法による微細構造分析は機能性の検査に次ぐものと考えられています。

SiO2ガラスは耐久性と化学的安定性が高く、光ファイバーや基板などの光学基礎材料として使用されています。 製造には高温が必要となるため、低温で SiO2 ガラスを製造する試みがいくつか行われてきました。 これらには、液相法 (ゾルゲルなど) や SPS が含まれます。 SPS によって製造された SiO2 ガラスは 1990 年代に初めて報告されました。 焼結によって調製された活性化剤を含む SiO2 ガラスの発光も報告されています 7、8、9、10。 異なる方法で製造された SiO2 ガラスは、異なる目的や用途に応じて異なる特性を示すため、製造された SiO2 ガラスの構造と物理的特性の関係を調査することは非常に重要です。 しかし、SPS-SiO2 ガラスの構造に関する詳細な研究は不足しています。 本研究では、SPS法により作製したSiO2ガラスの構造解析を行い、その特性を従来のSiO2ガラスと比較しました。 さらに、空間選択的顕微鏡分析を使用して、SPS-SiO2 ガラスの空間的不均一性を測定しました。