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ナノ構造材料の拡散合成とドーピング

機械的な空間変化による均質化

 

このブログでは、ミキサーが拡散によって粉体をどのように変化させることができるかという問題を扱う。amixon®プロセス機器は、高圧・高温用に設計されています。これは拡散に有利である。

動的に作動するミキシングマシンでは、ミキシングツールを通して材料を流動させ、せん断することで均質化する。混合作業は、混合する物質の種類や流動性によって難易度が異なる。ナノ分散バルク固体のデッドスペースがない混合は、粘着性のある湿潤材料のレオロジー特性と類似しているため、困難である。

濃度の差は拡散によって均等化される。

密閉容器内の気体は静止しているように見えるが、気体分子は互いに最小限のジグザグ運動を行い、近傍の気体分子を励起する。ジグザグ運動とパルス交換の強さは、気温に左右される。このような分子の微小運動が停止するのは、ガスが絶対零度、すなわちマイナス273.15℃まで冷却されたときだけである。

容器内に異なる密度や温度の気体がある場合、均質化は自動的に行われる。異なるガスは互いに拡散し合う。これはガスの拡散効率が高いためである。拡散は物質輸送である。密度、温度、圧力などの濃度差を均等化する。

密度の異なる液体も拡散によって自動的に混合するが、この均質化プロセスには気体よりもはるかに長い時間がかかる。

固形物同士が拡散する場合は、さらに時間がかかる。

拡散速度

ドイツの生理学者アドルフ・フィック（1829-1921）は、物質中の物質の拡散を2つの公式を用いて説明した。彼らは、拡散の流れは濃度差に比例するが、濃度勾配の方向とは逆になると述べている。

技術文献では、拡散電流密度を表す文字としてJがよく使われている。SI準拠の表現では、拡散電流密度は（kg/(m²*s)）で測定される。しかし、「モル毎平方メートル毎秒」（mol/(m²*s)）という表現も一般的である。

(1)       J = -D * (ΔC/Δx)    

 

を含む

J:   拡散フロー（面積と時間あたりの質量または分子量）

D:   材料中の物質の拡散係数（m²/s）

ΔC:   距離ΔC/Δxにわたる物質の濃度差：   濃度勾配

 

第二法則は、拡散係数と濃度勾配の両方が、濃度の空間分布によって時間とともに変化することを考慮に入れている。

(2)       ∂C/∂t = D * ∇²C

を含む

∂C/∂t:   濃度の経時変化

∇²c:   濃度の空間的 変化に対するラプラス演算子

 

 

拡散係数Dも計算できる。

D = D0 * e (-Q/(R * T))

を含む

D0:  拡散定数[m²/s]は材料固有の定数である。

Q:   活性化エネルギー [kg *m2/s-2］

R:   一般気体定数[J/(kg * K)

T:   温度[K］

 

固体拡散中の質量輸送が非常に遅い： 拡散係数は、気体で約10-5 m2/s、液体で約10-10 m2/s 、固体で約10-20  m2/sである。

テクニカルセラミックスと粉末冶金における効率的な拡散形態

粉末冶金では、異種材料が微分散した状態で成形体に圧入される場合、拡散が重要な役割を果たす。この場合、「機械的合金」と呼ばれる。

いわゆる外部拡散は、微細構造の相境界、粒界、表面で起こる。ポテンシャルの高い領域から原子団がゆっくりとポテンシャルの低い領域に移動する。関係する構造粒子が小さければ小さいほど、またそれらが互いに強く押しつけられれば押しつけられるほど、これらのプロセスはより集中的になる。

拡散は、乱れた格子構造に外来原子を導入することにより、高性能材料をドーピングするのに適した方法である。拡散は、濃度勾配がナノスケールの粉末の形で出会う場合に特に強くなる。これは特に相境界や粒界で顕著である。 

 

 

拡散は特に強い、

  1. 商品がナノ微粒子分散液として存在する場合。
  2. 濃度勾配ができるだけ大きい場合。
  3. プロセス温度が高い場合
  4. もし高濃度の粒子／微粒子が低濃度の粒子／微粒子にできるだけ頻繁に接触するならば。
  5. 粒子が気相に囲まれることなく、互いに接近して滑るとき。
ナノスケール粉体における加速拡散プロセス。大きな比表面には、多数の粒界と相界面がある。

ナノスケール粉体における加速拡散プロセス。大きな比表面には、多数の粒界と相界面がある。

amixon®リアクターにおける加速拡散

1)
amixon®リアクター内のミキシングプロセスは、ミキシングツールの速度に関係なく、常にデッドスペースなく効率的に行われます。ミックスの流動特性（乾燥、湿潤、湿潤、懸濁）は関係ない。さらに、精密混合は充填レベルに依存しない。

2)
amixon®リアクターでは、成分は互いに拡散するために、乾燥状態、液体状態、気体状態など、どのような凝集状態でも存在することができる。

3)
amixon®リアクターは、指定された加熱/冷却カーブにコンマ数ケルビン以内で従うことができます。350 °Cまで。現在、amixon®は600℃を超える温度まで開発中である。

4)
デッドスペースのない混合プロセスにより、粒子／液体／気体が常にランダムに接触する。amixon® 残留リアクターは最大25 barの過圧で作動します。(amixon®プロセスシステムはTA Luftの法的要件を満たしています。高温・高圧下でも技術的には漏れない）。

5)
固体-固体反応/拡散：amixon®装置では、高真空をかけることで急峻な濃度勾配を発生させることができる。単相混合材料（気相を含まない）の場合、固体粒子は高温でも密接にこすれ合う。

ミックスグッズをお持ちになってご来店ください。ぜひお試しいただきたい。

Gyraton®ミキサーは、大量ロットのホモジナイザーです。

高機能素材は通常、小ロットで加工される。例えば、バッテリー、風力タービン、送電・通信技術用部品、海水淡水化プラントの製造などを考えると、これらの材料が必要とされる量は増加の一途をたどっている。しかし、これらの大きな塊は均質でなければならない。

そこで、amixon®は価値ある貢献をすることができる。Gyraton® ミキサーは大量のバルク原料（70 m³）をバッチで均質化することができます。しかし、同じGyraton®ミキサーで連続混合も可能です。いずれにせよ、品質の変動は平準化できる。

Gyraton® ミキサーはデッドスペースがなく、均質で非常に穏やかに混合します。Gyraton®ミキサーの駆動力は非常に小さい。製品はナノ分散、凝集、乾式、湿式、湿式がある。

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