1. チタン/スチール複合板の界面接合メカニズム
異種金属材料間の界面結合は、物理的結合、化学的結合、機械的結合の3つに分類できます。ファンデルワールス力、水素結合、その他の物理的結合は、ポリマーベースの複合材料でよく見られます。化学結合とは、特定のプロセス条件下での 2 つの材料間の相互作用および化学反応を指し、その結果、金属ベースの複合材料で一般的に見られる化学結合が形成されます。機械的結合力には主に摩擦力が含まれますが、摩擦力は材料の表面粗さによって決まります。複合材料の金属の表面粗さが大きいほど、機械的結合力は大きくなります。ほとんどすべての複合材料は機械的結合力を持っています。以上の3種類の組み合わせをもとに、研究者たちは多角的な観点から複合材料複合理論を提案しています。
(1) 拡散理論
拡散理論では、2 つの異種材料が大きな塑性変形処理中に密着するため、膨大な変形熱が放出されると考えられています。変形熱が徐々に蓄積すると、これらの変形熱が異なる元素間の拡散を促進し、それによって冶金的結合層が形成されます。
(2) 再結晶理論
再結晶理論によれば、金属板の界面接触領域の不均一原子が再配列を受け、徐々に格子定数に近づき、金属原子が再配列され、その結果、2枚の金属板に共通の結晶粒が形成されます。再結晶理論は、高温の金属板の複合プロセスにのみ有効であり、低温での金属スラブの結合現象を説明することはできません。
(3) メタルボンド理論
異なる材料の金属に圧力がかかると、それらは徐々に互いに近づき、原子間の距離が縮まるにつれて、反発から引力へと金属結合が形成されます。その後のエネルギー理論では、金属結合を形成するには界面原子が特定のエネルギー条件を満たさなければならないと提案され、これは金属結合理論を補足するものです。
(4) 薄膜理論
金属が塑性変形すると、表面硬化層や酸化層が損傷し、転がり力の作用により新鮮な金属が絞り出され、界面結合が形成されます。
(5) 機械的結合理論
いわゆる機械的結合とは、機械的結合力のみに基づいてマトリックスと補強体とが相互に接続されることを指す。これは摩擦の作用下でマトリックスと補強体によって形成される複合材料ですが、この形式の複合プレートは単一の長手方向の荷重にしか耐えることができません。
界面結合のメカニズムは複雑かつ多様であり、異なる金属材料間の界面結合メカニズムも異なります。単一の複合メカニズムでそれを包括的に説明することは困難です。実際の応用では、複合材料の界面には複数の異なる結合メカニズムが同時に存在することがよくあります。
フィックの第一法則は定常状態の拡散をうまく説明できますが、ほとんどの場合、拡散は非定常状態の拡散に属します。非定常拡散の場合、物質の濃度は拡散距離と時間によって変化するため、フィックの第一法則は当てはまりません。この問題に対処するために、非定常拡散の問題を効果的に解決できるフィックの第 2 法則が提案されました。
原子理論
原子理論は拡散のメカニズムを説明します。原子理論によれば、ギャップ、交換、空孔という 3 つの拡散メカニズムが発見されます。 3 つの拡散メカニズムの概略図を図 1-5 に示します。
ギャップ拡散メカニズム: 結晶ギャップに小さなサイズの原子がある場合、これらの原子は格子ギャップに拡散する可能性があります。拡散の過程で、拡散する原子はあるギャップから隣接する原子を通って別の格子ギャップに移動し、格子歪みを引き起こします。これは格子間固溶体における原子の拡散でよく見られます。
交換拡散メカニズム: 溶質原子と溶媒原子は類似したサイズを持ち、位置交換によって拡散を実現します。このタイプの位置交換は重大な格子歪みを引き起こす可能性があり、異なる原子の拡散係数が異なるため、同じ種類の原子にのみ適用できる交換メカニズムによる拡散を達成することが困難です。したがって、合金におけるその役割は非常に限定されています。
空孔拡散メカニズム: 空孔とは、結晶構造内の原子またはイオンの欠落した位置を表す結晶構造内の欠陥を指します。空孔拡散メカニズムは、固体材料内の粒子または空孔の、ある結晶格子点から別の結晶格子点への遷移および拡散を指します。
2. 普及に影響を与える要因
これまでの研究では、温度、圧力/圧力、結晶構造、結晶の内部欠陥、化学組成などの要因が拡散速度に大きな影響を与えることが示されています。
(1) 温度
温度が上昇すると、物質内の粒子間の衝突頻度や衝突エネルギーが増加し、粒子速度も増加するため、粒子は高濃度領域から低濃度領域へ拡散しやすくなります。
(2) 結晶構造
原子理論で説明される原子の拡散機構には、主に空孔拡散、ギャップ拡散、交換拡散などがあります。原子が拡散にどのような拡散メカニズムを使用するかに関係なく、原子の拡散軌道は格子ノードまたは格子ギャップを通過する必要があります。本来の完全な結晶構造は、不均一原子による格子歪みにより、結晶構造や結晶の種類に大きく影響されます。
(3) 結晶欠陥
結晶構造の欠陥は、点欠陥、線欠陥、面欠陥に分類できます。点欠陥材料の拡散速度には促進効果がありますが、線欠陥や表面欠陥が拡散に及ぼす影響はより複雑です。欠陥の種類や量が異なると、拡散プロセスにさまざまな影響を与える可能性があります。
(4) 圧力・圧力
圧力が増加すると、粒子間の平均間隔が減少し、粒子間の相互作用が強くなります。粒子が高濃度領域から低濃度領域へ移動しやすくなり、拡散速度が速くなります。
