パルス通電焼結法によるマクロポーラス人工骨の作製とその通電焼結機構の解明

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パルス通電焼結法を用いた水酸アパタイト多孔体の作製指針を明らかにするために、本焼結手法におけるパルス通電の効果について、焼結のその場観察などから検討した。まず最初に、パルス通電焼結のその場観察手法の確立を試みた。本研究では、半円型のカーボンダイスと石英ガラス(厚さ2mm)を組み合わせ、石英ガラス越しに焼結および加熱の様子を直接観察した。試料充填量によっては石英ガラスが破損することがあったが、充填量が厚さに換算して約5mmであれば、高温でも破損はなくその場観察が可能であった。確立したその場観察手法を用いて、試料粉末の加熱の様子を観察した。カーボンダイスよりも電気伝導度の低い水酸アパタイトでは、直流電流、パルス電流(1Hz)を問わず、ダイスとパンチでのジュール熱により加熱されていた。通電焼結の原理から、試料粉末での放電が期待されたが、本実験では電源波形に係わらず観察されなかった。しかし、パルス電流において、ダイス・パンチ・試料が交わる領域でパルス電圧の印加にともなう放電の発生が確認された。このような放電は、試料温度の不均一化を引き起こすと推察された。比較として、カーボンよりも電気伝導度の高い銅粉末においても同様な観察を行なったが、電流が試料粉末に直接流れるために、水酸アパタイトで観察されたような交点での放電は、パルス電流においても観察されなかった。また、パルス電流が相対密度に与える影響について検討した結果、ほぼ同じ緻密化挙動を示し、直流とパルスで優位な差は認められなかった。以上のことから、電気伝導度の低いセラミックスなどにおいて、パルス電流はダイス・パンチ間などで局部加熱を引き起こす恐れがあり、安定的な焼結を行ないにくいと考えられ、多孔体作製においては直流波形の電源を使用する方が好ましいと思われる。