Clarification of metal precipitation mechanism in glass by solid-state ion exchange method and development to glass processing

通过固态离子交换法阐明玻璃中金属析出机理并开发玻璃加工

基本信息

批准号：
20J13023
负责人：
川村拓史
金额：
$ 1.34万
依托单位：
Chiba University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-24 至 2022-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

ガラスの特殊加工法として固体イオン交換法が存在する．この手法は，高温(350 ℃程度)に加熱したガラスと固体金属を接触させ，金属側を陽極とした電圧を印加することで，ガラスに金属イオンを添加する手法である．また，本手法でイオンを添加したガラスに対し，今度はガラス側を陽極とした電圧を印加すると，ガラス内でイオンが還元し，樹状の金属析出物が形成されることが知られている．しかし，このガラス内金属析出現象が発見されたのは近年のことであり，まだメカニズム等が十分に明らかになっておらず，その工学的応用も十分に検討されていない．そこで本研究では，金属析出現象のメカニズムの詳細を明らかにし，その工学的応用を検討することを目的とした．金属析出現象は，ガラス内に添加した金属イオンの還元反応によって生じることが明らかになっているが，その成長速度や成長方向に関する研究は十分に行われていない．これは，析出挙動の動的観察が行われていないためである．そこで本研究では，実験に使用する真空チャンバと実験手法を改善し，ガラス内の析出挙動の動的観察に初めて成功した．また，本観察手法と絶縁破壊モデルと呼ばれる数値解析モデルを利用することで，析出挙動とガラス内の電場の影響について明らかにした．本解析により，初期の電場形状によって生じる最終的な析出物の形状を予測することが可能となった．また，析出挙動の温度場の影響を検討するため，レーザ加熱によってガラスの局所加熱を行った．その結果，レーザ加熱を併用することで，析出位置を簡易的に制御することが可能となった．今後はさらに微小な領域での析出挙動の観察や，析出物の形状制御について検討する．

固体离子交换法作为玻璃的特殊加工方法而存在。在此方法中，通过使加热至高温（约350℃）的玻璃与固体金属接触，并以金属侧作为阳极施加电压，将金属离子添加到玻璃中。此外，已知当用该方法向添加了离子的玻璃施加电压时，以玻璃侧为阳极，离子在玻璃内被还原，并形成树枝状金属沉淀物。然而，这种玻璃中金属析出的现象是近年来才被发现的，其机理尚未完全阐明，其工程应用也尚未得到充分研究。因此，本研究的目的是阐明金属析出现象的机制细节并考虑其工程应用。已经表明，金属析出是由于添加到玻璃中的金属离子的还原反应而发生的，但析出的生长速度和方向尚未得到充分研究。这是因为没有对降水行为进行动态观测。因此，本研究改进了实验中使用的真空室和实验方法，首次成功动态观察玻璃中的析出行为。此外，通过使用这种观察方法和被称为介电击穿模型的数值分析模型，我们阐明了析出行为和玻璃内电场的影响。该分析可以预测由初始电场形状引起的沉淀物的最终形状。此外，为了研究温度场对析出行为的影响，使用激光加热对玻璃进行局部加热。其结果，通过并用激光加热，可以容易地控制析出位置。未来，我们将研究更小区域的降水行为观测和降水形状控制。