セラミックス接合界面での非平衡な気液固反応ダイナミクスの解明と高耐熱接合への応用

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セラミックスの低温接合と接合体の高温使用を両立するため、接合時には低い温度で融け、接合後には高い温度でも融けなくなるという、新機能を有したフィラー（接合時に間に挟み込む材料）の開発研究を行っている。その機能の根源は、フィラーに含まれる添加元素の蒸発や化学反応を利用して、フィラーの融点を制御する点にある。一方で、このような添加元素の特殊な振る舞いが十分に理解されていないため、接合界面に出現する気体・液体・固体が関与する複雑な接合機構（ダイナミクス）が明らかになっていない。本研究では、そのダイナミクスに関する知見を体系化することで、プロセス設計の指導原理の確立をめざしている。これまでに、SiとMgを組み合わせた複合フィラーを用い、各種セラミックスの接合を実施した。この系では約950℃以上でSi-Mg共融液相が生成するため、液相を介した接合に供することができる。一方、Mgは蒸気圧が非常に高いため、接合温度での保持中にMgが液相中から蒸発し、残ったSiがその温度で等温凝固することで、固相Si主体の接合層が形成される。令和4年度は、上記のSi-Mg複合フィラーを用い、特に炭化ケイ素（SiC）の接合に取り組んだ。この組み合わせでは、Mgの蒸発が十分に進まず、接合部にMgが多量に残留することがわかっている。残留Mgの形態によっては非常に脆い接合層が形成されるため、接合強度が低くなる。この課題に対し、前年度の研究で見出したMg蒸発促進および接合強度向上のためのフィラー設計指針に基づき、第三元素としてAlを添加したSi-Mg-Al複合フィラーを用い、比較的接合強度の高いSiC接合体を作製することができるようになった。このようなAl添加の効果が発現する機構について、熱力学と物質移動の観点から定性的に考察した。その考察をもとに、学会発表の申込につなげ、論文投稿の準備を進めた。