高性能エンジニアリングプラスチック・機能性高分子 - 高性能化の設計原理
この章を完了すると、以下を説明できるようになります：
構造セラミックス（Structural Ceramics）とは、優れた機械的性質（高強度・高硬度・耐熱性）を持ち、過酷な環境下で構造部材として使用されるセラミックス材料です。金属材料では不可能な高温環境や腐食性環境での使用が可能で、以下のような重要な応用があります：
構造セラミックスは航空宇宙・自動車・医療分野で不可欠です。世界のセラミックス市場（2023年時点で$230B以上）の約60%が先進セラミックス材料です。その理由は：
高強度セラミックスは以下の3つの主要材料が代表的です：
flowchart LR
A[Al₂O₃
アルミナ] --> B[高硬度
Hv 2000]
C[ZrO₂
ジルコニア] --> D[高靭性
10-15 MPa√m]
E[Si₃N₄
窒化ケイ素] --> F[高温強度
1400°C使用]
style A fill:#e3f2fd
style C fill:#fff3e0
style E fill:#e8f5e9
style B fill:#f3e5f5
style D fill:#fce4ec
style F fill:#fff9c4
セラミックスは高強度・高硬度を持つ一方で、脆性（低靭性）が最大の欠点です。微小な欠陥（気孔、亀裂）が応力集中点となり、突発的な破壊を引き起こします（Griffith理論）。破壊靭性は金属の1/10以下です。このため、高靭性化技術が重要な研究課題となっています。
ジルコニア（ZrO₂）で最も効果的に機能する強化機構です：
強化のメカニズム：
実現方法： Y₂O₃（3-8 mol%）やMgO（9-15 mol%）を添加し、正方晶を室温で準安定化（PSZ: Partially Stabilized Zirconia）
セラミックスマトリックスに高強度繊維を複合化する手法です：
強化のメカニズム：
応用例： SiC/SiC複合材料（航空機エンジン部品）、C/C複合材料（ブレーキディスク）
圧電効果とは、機械的応力を加えると電気分極が生じ（正圧電効果）、逆に電場を印加すると機械的歪みが生じる（逆圧電効果）現象です。
PZT（ジルコン酸チタン酸鉛）の特徴：
PZTは鉛（Pb）を60wt%以上含むため、欧州RoHS規制で使用制限があります。鉛フリー代替材料として、BaTiO₃系、(K,Na)NbO₃系、BiFeO₃系が研究されていますが、PZTの性能には及びません（d₃₃ = 100-300 pC/N）。圧電デバイスは医療機器等の適用除外品目ですが、長期的には代替材料開発が必要です。
圧電効果は非中心対称結晶構造を持つ材料でのみ発現します：
誘電セラミックスは、高い誘電率（εᵣ）を持ち、電気エネルギーを蓄積するコンデンサ材料として使用されます。
高誘電率の起源：
現代のMLCCは極限まで小型化・高性能化が進んでいます：
BaTiO₃ベースのMLCCは電子機器の小型化・高性能化の鍵となる材料です。
フェライト（Ferrites）は、酸化物系の磁性材料で、高周波における低損失特性を持つため、トランスフォーマー・インダクタ・電波吸収体に広く使用されます。
スピネル型フェライトの特徴：
六方晶フェライト（ハードフェライト）の特徴：
フェライトの磁性はスピネル構造（AB₂O₄）中のA席（四面体位置）とB席（八面体位置）のイオンの磁気モーメントが反平行配列することで発現します（フェリ磁性）。Mn-ZnフェライトではMn²⁺とFe³⁺の磁気モーメントが部分的に打ち消し合うため、全体としての磁化は小さくなりますが、高透磁率が実現されます。
バイオセラミックス（Bioceramics）とは、生体組織と接触しても拒絶反応を起こさず（生体適合性）、骨組織と直接結合できる（骨伝導性）セラミックス材料です。
ハイドロキシアパタイト（HAp）の特徴：
β-TCP（リン酸三カルシウム）は、HApと異なり生体内で徐々に吸収される特性を持ちます：
生体吸収性により、永久的な異物が体内に残らず、自己の骨組織に完全に置き換わる理想的な骨再生が実現します。
# ===================================
# Example 1: Arrhenius式シミュレーション
# ===================================
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
# 物理定数
R = 8.314 # J/(mol·K)
# BaTiO3系の拡散パラメータ（文献値）
D0 = 5e-4 # m²/s (頻度因子)
Ea = 300e3 # J/mol (活性化エネルギー 300 kJ/mol)
def diffusion_coefficient(T, D0, Ea):
"""Arrhenius式で拡散係数を計算
Args:
T (float or array): 温度 [K]
D0 (float): 頻度因子 [m²/s]
Ea (float): 活性化エネルギー [J/mol]
Returns:
float or array: 拡散係数 [m²/s]
"""
return D0 * np.exp(-Ea / (R * T))
# 温度範囲 800-1400°C
T_celsius = np.linspace(800, 1400, 100)
T_kelvin = T_celsius + 273.15
# 拡散係数を計算
D = diffusion_coefficient(T_kelvin, D0, Ea)
# プロット
plt.figure(figsize=(10, 6))
# 対数プロット（Arrheniusプロット）
plt.subplot(1, 2, 1)
plt.semilogy(T_celsius, D, 'b-', linewidth=2)
plt.xlabel('Temperature (°C)', fontsize=12)
plt.ylabel('Diffusion Coefficient (m²/s)', fontsize=12)
plt.title('Arrhenius Plot', fontsize=14, fontweight='bold')
plt.grid(True, alpha=0.3)
# 1/T vs ln(D) プロット（直線関係）
plt.subplot(1, 2, 2)
plt.plot(1000/T_kelvin, np.log(D), 'r-', linewidth=2)
plt.xlabel('1000/T (K⁻¹)', fontsize=12)
plt.ylabel('ln(D)', fontsize=12)
plt.title('Linearized Arrhenius Plot', fontsize=14, fontweight='bold')
plt.grid(True, alpha=0.3)
plt.tight_layout()
plt.savefig('arrhenius_plot.png', dpi=300, bbox_inches='tight')
plt.show()
# 主要温度での拡散係数を表示
key_temps = [1000, 1100, 1200, 1300]
print("温度依存性の比較:")
print("-" * 50)
for T_c in key_temps:
T_k = T_c + 273.15
D_val = diffusion_coefficient(T_k, D0, Ea)
print(f"{T_c:4d}°C: D = {D_val:.2e} m²/s")
# 出力例:
# 温度依存性の比較:
# --------------------------------------------------
# 1000°C: D = 1.89e-12 m²/s
# 1100°C: D = 9.45e-12 m²/s
# 1200°C: D = 4.01e-11 m²/s
# 1300°C: D = 1.48e-10 m²/s
# ===================================
# Example 2: Jander式による反応率計算
# ===================================
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from scipy.optimize import fsolve
def jander_equation(alpha, k, t):
"""Jander式
Args:
alpha (float): 反応率 (0-1)
k (float): 速度定数 [s⁻¹]
t (float): 時間 [s]
Returns:
float: Jander式の左辺 - k*t
"""
return (1 - (1 - alpha)**(1/3))**2 - k * t
def calculate_conversion(k, t):
"""時間tにおける反応率を計算
Args:
k (float): 速度定数
t (float): 時間
Returns:
float: 反応率 (0-1)
"""
# Jander式をalphaについて数値的に解く
alpha0 = 0.5 # 初期推定値
alpha = fsolve(lambda a: jander_equation(a, k, t), alpha0)[0]
return np.clip(alpha, 0, 1) # 0-1の範囲に制限
# パラメータ設定
D = 1e-11 # m²/s (1200°Cでの拡散係数)
C0 = 10000 # mol/m³
r0_values = [1e-6, 5e-6, 10e-6] # 粒子半径 [m]: 1μm, 5μm, 10μm
# 時間配列（0-50時間）
t_hours = np.linspace(0, 50, 500)
t_seconds = t_hours * 3600
# プロット
plt.figure(figsize=(12, 5))
# 粒子サイズの影響
plt.subplot(1, 2, 1)
for r0 in r0_values:
k = D * C0 / r0**2
alpha = [calculate_conversion(k, t) for t in t_seconds]
plt.plot(t_hours, alpha, linewidth=2,
label=f'r₀ = {r0*1e6:.1f} μm')
plt.xlabel('Time (hours)', fontsize=12)
plt.ylabel('Conversion (α)', fontsize=12)
plt.title('Effect of Particle Size', fontsize=14, fontweight='bold')
plt.legend(fontsize=10)
plt.grid(True, alpha=0.3)
plt.ylim([0, 1])
# 温度の影響（粒子サイズ固定）
plt.subplot(1, 2, 2)
r0_fixed = 5e-6 # 5μm固定
temperatures = [1100, 1200, 1300] # °C
for T_c in temperatures:
T_k = T_c + 273.15
D_T = diffusion_coefficient(T_k, D0, Ea)
k = D_T * C0 / r0_fixed**2
alpha = [calculate_conversion(k, t) for t in t_seconds]
plt.plot(t_hours, alpha, linewidth=2,
label=f'{T_c}°C')
plt.xlabel('Time (hours)', fontsize=12)
plt.ylabel('Conversion (α)', fontsize=12)
plt.title('Effect of Temperature (r₀ = 5 μm)', fontsize=14, fontweight='bold')
plt.legend(fontsize=10)
plt.grid(True, alpha=0.3)
plt.ylim([0, 1])
plt.tight_layout()
plt.savefig('jander_simulation.png', dpi=300, bbox_inches='tight')
plt.show()
# 50%反応に要する時間を計算
print("\n50%反応に要する時間:")
print("-" * 50)
for r0 in r0_values:
k = D * C0 / r0**2
t_50 = fsolve(lambda t: jander_equation(0.5, k, t), 10000)[0]
print(f"r₀ = {r0*1e6:.1f} μm: t₅₀ = {t_50/3600:.1f} hours")
# 出力例:
# 50%反応に要する時間:
# --------------------------------------------------
# r₀ = 1.0 μm: t₅₀ = 1.9 hours
# r₀ = 5.0 μm: t₅₀ = 47.3 hours
# r₀ = 10.0 μm: t₅₀ = 189.2 hours
# ===================================
# Example 3: Kissinger法による活性化エネルギー計算
# ===================================
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from scipy.stats import linregress
# Kissinger法: ln(β/Tp²) vs 1/Tp の直線の傾きから Ea を求める
# β: 加熱速度 [K/min]
# Tp: ピーク温度 [K]
# 傾き = -Ea/R
# 実験データ（異なる加熱速度でのDSCピーク温度）
heating_rates = np.array([5, 10, 15, 20]) # K/min
peak_temps_celsius = np.array([1085, 1105, 1120, 1132]) # °C
peak_temps_kelvin = peak_temps_celsius + 273.15
def kissinger_analysis(beta, Tp):
"""Kissinger法で活性化エネルギーを計算
Args:
beta (array): 加熱速度 [K/min]
Tp (array): ピーク温度 [K]
Returns:
tuple: (Ea [kJ/mol], A [min⁻¹], R²)
"""
# Kissinger式の左辺
y = np.log(beta / Tp**2)
# 1/Tp
x = 1000 / Tp # 1000/Tでスケーリング（見やすくするため）
# 線形回帰
slope, intercept, r_value, p_value, std_err = linregress(x, y)
# 活性化エネルギー計算
R = 8.314 # J/(mol·K)
Ea = -slope * R * 1000 # J/mol → kJ/mol
# 頻度因子
A = np.exp(intercept)
return Ea, A, r_value**2
# 活性化エネルギー計算
Ea, A, R2 = kissinger_analysis(heating_rates, peak_temps_kelvin)
print("Kissinger法による解析結果:")
print("=" * 50)
print(f"活性化エネルギー Ea = {Ea:.1f} kJ/mol")
print(f"頻度因子 A = {A:.2e} min⁻¹")
print(f"決定係数 R² = {R2:.4f}")
print("=" * 50)
# プロット
plt.figure(figsize=(10, 6))
# Kissingerプロット
y_data = np.log(heating_rates / peak_temps_kelvin**2)
x_data = 1000 / peak_temps_kelvin
plt.plot(x_data, y_data, 'ro', markersize=10, label='実験データ')
# フィッティング直線
x_fit = np.linspace(x_data.min()*0.95, x_data.max()*1.05, 100)
slope = -Ea * 1000 / (R * 1000)
intercept = np.log(A)
y_fit = slope * x_fit + intercept
plt.plot(x_fit, y_fit, 'b-', linewidth=2, label=f'Fit: Ea = {Ea:.1f} kJ/mol')
plt.xlabel('1000/Tp (K⁻¹)', fontsize=12)
plt.ylabel('ln(β/Tp²)', fontsize=12)
plt.title('Kissinger Plot for Activation Energy', fontsize=14, fontweight='bold')
plt.legend(fontsize=11)
plt.grid(True, alpha=0.3)
# テキストボックスで結果を表示
textstr = f'Ea = {Ea:.1f} kJ/mol\nR² = {R2:.4f}'
props = dict(boxstyle='round', facecolor='wheat', alpha=0.5)
plt.text(0.05, 0.95, textstr, transform=plt.gca().transAxes, fontsize=11,
verticalalignment='top', bbox=props)
plt.tight_layout()
plt.savefig('kissinger_plot.png', dpi=300, bbox_inches='tight')
plt.show()
# 出力例:
# Kissinger法による解析結果:
# ==================================================
# 活性化エネルギー Ea = 287.3 kJ/mol
# 頻度因子 A = 2.45e+12 min⁻¹
# 決定係数 R² = 0.9956
# ==================================================
固相反応における温度プロファイルは、反応の成功を左右する最も重要な制御パラメータです。以下の3要素を適切に設計する必要があります：
flowchart TD
A[温度プロファイル設計] --> B[加熱速度
Heating Rate]
A --> C[保持時間
Holding Time]
A --> D[冷却速度
Cooling Rate]
B --> B1[速すぎ: 熱応力→亀裂]
B --> B2[遅すぎ: 不要な相変態]
C --> C1[短すぎ: 反応不完全]
C --> C2[長すぎ: 粒成長過剰]
D --> D1[速すぎ: 熱応力→亀裂]
D --> D2[遅すぎ: 好ましくない相]
style A fill:#f093fb
style B fill:#e3f2fd
style C fill:#e8f5e9
style D fill:#fff3e0
一般的な推奨値： 2-10°C/min
考慮すべき要因：
BaTiO₃合成では800-900°Cで BaCO₃ → BaO + CO₂ の分解が起こります。加熱速度が20°C/min以上だと、CO₂が急激に放出され、試料が破裂することがあります。推奨加熱速度は5°C/min以下です。
決定方法： Jander式からの推算 + 実験最適化
必要な保持時間は以下の式で推定できます：
典型的な保持時間：
一般的な推奨値： 1-5°C/min（加熱速度より遅め）
重要性：
# ===================================
# Example 4: 温度プロファイル最適化
# ===================================
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
def temperature_profile(t, T_target, heating_rate, hold_time, cooling_rate):
"""温度プロファイルを生成
Args:
t (array): 時間配列 [min]
T_target (float): 保持温度 [°C]
heating_rate (float): 加熱速度 [°C/min]
hold_time (float): 保持時間 [min]
cooling_rate (float): 冷却速度 [°C/min]
Returns:
array: 温度プロファイル [°C]
"""
T_room = 25 # 室温
T = np.zeros_like(t)
# 加熱時間
t_heat = (T_target - T_room) / heating_rate
# 冷却開始時刻
t_cool_start = t_heat + hold_time
for i, time in enumerate(t):
if time <= t_heat:
# 加熱フェーズ
T[i] = T_room + heating_rate * time
elif time <= t_cool_start:
# 保持フェーズ
T[i] = T_target
else:
# 冷却フェーズ
T[i] = T_target - cooling_rate * (time - t_cool_start)
T[i] = max(T[i], T_room) # 室温以下にはならない
return T
def simulate_reaction_progress(T, t, Ea, D0, r0):
"""温度プロファイルに基づく反応進行を計算
Args:
T (array): 温度プロファイル [°C]
t (array): 時間配列 [min]
Ea (float): 活性化エネルギー [J/mol]
D0 (float): 頻度因子 [m²/s]
r0 (float): 粒子半径 [m]
Returns:
array: 反応率
"""
R = 8.314
C0 = 10000
alpha = np.zeros_like(t)
for i in range(1, len(t)):
T_k = T[i] + 273.15
D = D0 * np.exp(-Ea / (R * T_k))
k = D * C0 / r0**2
dt = (t[i] - t[i-1]) * 60 # min → s
# 簡易積分（微小時間での反応進行）
if alpha[i-1] < 0.99:
dalpha = k * dt / (2 * (1 - (1-alpha[i-1])**(1/3)))
alpha[i] = min(alpha[i-1] + dalpha, 1.0)
else:
alpha[i] = alpha[i-1]
return alpha
# パラメータ設定
T_target = 1200 # °C
hold_time = 240 # min (4 hours)
Ea = 300e3 # J/mol
D0 = 5e-4 # m²/s
r0 = 5e-6 # m
# 異なる加熱速度での比較
heating_rates = [2, 5, 10, 20] # °C/min
cooling_rate = 3 # °C/min
# 時間配列
t_max = 800 # min
t = np.linspace(0, t_max, 2000)
# プロット
fig, (ax1, ax2) = plt.subplots(2, 1, figsize=(12, 10))
# 温度プロファイル
for hr in heating_rates:
T_profile = temperature_profile(t, T_target, hr, hold_time, cooling_rate)
ax1.plot(t/60, T_profile, linewidth=2, label=f'{hr}°C/min')
ax1.set_xlabel('Time (hours)', fontsize=12)
ax1.set_ylabel('Temperature (°C)', fontsize=12)
ax1.set_title('Temperature Profiles', fontsize=14, fontweight='bold')
ax1.legend(fontsize=10)
ax1.grid(True, alpha=0.3)
ax1.set_xlim([0, t_max/60])
# 反応進行
for hr in heating_rates:
T_profile = temperature_profile(t, T_target, hr, hold_time, cooling_rate)
alpha = simulate_reaction_progress(T_profile, t, Ea, D0, r0)
ax2.plot(t/60, alpha, linewidth=2, label=f'{hr}°C/min')
ax2.axhline(y=0.95, color='red', linestyle='--', linewidth=1, label='Target (95%)')
ax2.set_xlabel('Time (hours)', fontsize=12)
ax2.set_ylabel('Conversion', fontsize=12)
ax2.set_title('Reaction Progress', fontsize=14, fontweight='bold')
ax2.legend(fontsize=10)
ax2.grid(True, alpha=0.3)
ax2.set_xlim([0, t_max/60])
ax2.set_ylim([0, 1])
plt.tight_layout()
plt.savefig('temperature_profile_optimization.png', dpi=300, bbox_inches='tight')
plt.show()
# 各加熱速度での95%反応到達時間を計算
print("\n95%反応到達時間の比較:")
print("=" * 60)
for hr in heating_rates:
T_profile = temperature_profile(t, T_target, hr, hold_time, cooling_rate)
alpha = simulate_reaction_progress(T_profile, t, Ea, D0, r0)
# 95%到達時刻
idx_95 = np.where(alpha >= 0.95)[0]
if len(idx_95) > 0:
t_95 = t[idx_95[0]] / 60
print(f"加熱速度 {hr:2d}°C/min: t₉₅ = {t_95:.1f} hours")
else:
print(f"加熱速度 {hr:2d}°C/min: 反応不完全")
# 出力例:
# 95%反応到達時間の比較:
# ============================================================
# 加熱速度 2°C/min: t₉₅ = 7.8 hours
# 加熱速度 5°C/min: t₉₅ = 7.2 hours
# 加熱速度 10°C/min: t₉₅ = 6.9 hours
# 加熱速度 20°C/min: t₉₅ = 6.7 hours
pycalphadは、CALPHAD（CALculation of PHAse Diagrams）法に基づく相図計算のためのPythonライブラリです。熱力学データベースから平衡相を計算し、反応経路の設計に有用です。
# ===================================
# Example 5: pycalphadで相図計算
# ===================================
# 注意: pycalphadのインストールが必要
# pip install pycalphad
from pycalphad import Database, equilibrium, variables as v
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
# TDBデータベースを読み込み（ここでは簡易的な例）
# 実際には適切なTDBファイルが必要
# 例: BaO-TiO2系
# 簡易的なTDB文字列（実際はより複雑）
tdb_string = """
$ BaO-TiO2 system (simplified)
ELEMENT BA BCC_A2 137.327 !
ELEMENT TI HCP_A3 47.867 !
ELEMENT O GAS 15.999 !
FUNCTION GBCCBA 298.15 +GHSERBA; 6000 N !
FUNCTION GHCPTI 298.15 +GHSERTI; 6000 N !
FUNCTION GGASO 298.15 +GHSERO; 6000 N !
PHASE LIQUID:L % 1 1.0 !
PHASE BAO_CUBIC % 2 1 1 !
PHASE TIO2_RUTILE % 2 1 2 !
PHASE BATIO3 % 3 1 1 3 !
"""
# 注: 実際の計算には正式なTDBファイルが必要
# ここでは概念的な説明に留める
print("pycalphadによる相図計算の概念:")
print("=" * 60)
print("1. TDBデータベース（熱力学データ）を読み込む")
print("2. 温度・組成範囲を設定")
print("3. 平衡計算を実行")
print("4. 安定相を可視化")
print()
print("実際の適用例:")
print("- BaO-TiO2系: BaTiO3の形成温度・組成範囲")
print("- Si-N系: Si3N4の安定領域")
print("- 多元系セラミックスの相関係")
# 概念的なプロット（実データに基づくイメージ）
fig, ax = plt.subplots(figsize=(10, 7))
# 温度範囲
T = np.linspace(800, 1600, 100)
# 各相の安定領域（概念図）
# BaO + TiO2 → BaTiO3 反応
BaO_region = np.ones_like(T) * 0.3
TiO2_region = np.ones_like(T) * 0.7
BaTiO3_region = np.where((T > 1100) & (T < 1400), 0.5, np.nan)
ax.fill_between(T, 0, BaO_region, alpha=0.3, color='blue', label='BaO + TiO2')
ax.fill_between(T, BaO_region, TiO2_region, alpha=0.3, color='green',
label='BaTiO3 stable')
ax.fill_between(T, TiO2_region, 1, alpha=0.3, color='red', label='Liquid')
ax.axhline(y=0.5, color='black', linestyle='--', linewidth=2,
label='BaTiO3 composition')
ax.axvline(x=1100, color='gray', linestyle=':', linewidth=1, alpha=0.5)
ax.axvline(x=1400, color='gray', linestyle=':', linewidth=1, alpha=0.5)
ax.set_xlabel('Temperature (°C)', fontsize=12)
ax.set_ylabel('Composition (BaO mole fraction)', fontsize=12)
ax.set_title('Conceptual Phase Diagram: BaO-TiO2', fontsize=14, fontweight='bold')
ax.legend(fontsize=10, loc='upper right')
ax.grid(True, alpha=0.3)
ax.set_xlim([800, 1600])
ax.set_ylim([0, 1])
# テキスト注釈
ax.text(1250, 0.5, 'BaTiO₃\nformation\nregion',
fontsize=11, ha='center', va='center',
bbox=dict(boxstyle='round', facecolor='wheat', alpha=0.7))
plt.tight_layout()
plt.savefig('phase_diagram_concept.png', dpi=300, bbox_inches='tight')
plt.show()
# 実際の使用例（コメントアウト）
"""
# 実際のpycalphad使用例
db = Database('BaO-TiO2.tdb') # TDBファイル読み込み
# 平衡計算
eq = equilibrium(db, ['BA', 'TI', 'O'], ['LIQUID', 'BATIO3'],
{v.X('BA'): (0, 1, 0.01),
v.T: (1000, 1600, 50),
v.P: 101325})
# 結果プロット
eq.plot()
"""
実験計画法（Design of Experiments, DOE）は、複数のパラメータが相互作用する系で、最小の実験回数で最適条件を見つける統計手法です。
固相反応で最適化すべき主要パラメータ：
# ===================================
# Example 6: DOEによる条件最適化
# ===================================
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
from scipy.optimize import minimize
# 仮想的な反応率モデル（温度と時間の関数）
def reaction_yield(T, t, noise=0):
"""温度と時間から反応率を計算（仮想モデル）
Args:
T (float): 温度 [°C]
t (float): 時間 [hours]
noise (float): ノイズレベル
Returns:
float: 反応率 [%]
"""
# 最適値: T=1200°C, t=6 hours
T_opt = 1200
t_opt = 6
# 二次モデル（ガウス型）
yield_val = 100 * np.exp(-((T-T_opt)/150)**2 - ((t-t_opt)/3)**2)
# ノイズ追加
if noise > 0:
yield_val += np.random.normal(0, noise)
return np.clip(yield_val, 0, 100)
# 実験点配置（中心複合計画法）
T_levels = [1000, 1100, 1200, 1300, 1400] # °C
t_levels = [2, 4, 6, 8, 10] # hours
# グリッドで実験点を配置
T_grid, t_grid = np.meshgrid(T_levels, t_levels)
yield_grid = np.zeros_like(T_grid, dtype=float)
# 各実験点で反応率を測定（シミュレーション）
for i in range(len(t_levels)):
for j in range(len(T_levels)):
yield_grid[i, j] = reaction_yield(T_grid[i, j], t_grid[i, j], noise=2)
# 結果の表示
print("実験計画法による反応条件最適化")
print("=" * 70)
print(f"{'Temperature (°C)':<20} {'Time (hours)':<20} {'Yield (%)':<20}")
print("-" * 70)
for i in range(len(t_levels)):
for j in range(len(T_levels)):
print(f"{T_grid[i, j]:<20} {t_grid[i, j]:<20} {yield_grid[i, j]:<20.1f}")
# 最大反応率の条件を探す
max_idx = np.unravel_index(np.argmax(yield_grid), yield_grid.shape)
T_best = T_grid[max_idx]
t_best = t_grid[max_idx]
yield_best = yield_grid[max_idx]
print("-" * 70)
print(f"最適条件: T = {T_best}°C, t = {t_best} hours")
print(f"最大反応率: {yield_best:.1f}%")
# 3Dプロット
fig = plt.figure(figsize=(14, 6))
# 3D表面プロット
ax1 = fig.add_subplot(121, projection='3d')
T_fine = np.linspace(1000, 1400, 50)
t_fine = np.linspace(2, 10, 50)
T_mesh, t_mesh = np.meshgrid(T_fine, t_fine)
yield_mesh = np.zeros_like(T_mesh)
for i in range(len(t_fine)):
for j in range(len(T_fine)):
yield_mesh[i, j] = reaction_yield(T_mesh[i, j], t_mesh[i, j])
surf = ax1.plot_surface(T_mesh, t_mesh, yield_mesh, cmap='viridis',
alpha=0.8, edgecolor='none')
ax1.scatter(T_grid, t_grid, yield_grid, color='red', s=50,
label='Experimental points')
ax1.set_xlabel('Temperature (°C)', fontsize=10)
ax1.set_ylabel('Time (hours)', fontsize=10)
ax1.set_zlabel('Yield (%)', fontsize=10)
ax1.set_title('Response Surface', fontsize=12, fontweight='bold')
ax1.view_init(elev=25, azim=45)
fig.colorbar(surf, ax=ax1, shrink=0.5, aspect=5)
# 等高線プロット
ax2 = fig.add_subplot(122)
contour = ax2.contourf(T_mesh, t_mesh, yield_mesh, levels=20, cmap='viridis')
ax2.contour(T_mesh, t_mesh, yield_mesh, levels=10, colors='black',
alpha=0.3, linewidths=0.5)
ax2.scatter(T_grid, t_grid, c=yield_grid, s=100, edgecolors='red',
linewidths=2, cmap='viridis')
ax2.scatter(T_best, t_best, color='red', s=300, marker='*',
edgecolors='white', linewidths=2, label='Optimum')
ax2.set_xlabel('Temperature (°C)', fontsize=11)
ax2.set_ylabel('Time (hours)', fontsize=11)
ax2.set_title('Contour Map', fontsize=12, fontweight='bold')
ax2.legend(fontsize=10)
fig.colorbar(contour, ax=ax2, label='Yield (%)')
plt.tight_layout()
plt.savefig('doe_optimization.png', dpi=300, bbox_inches='tight')
plt.show()
実際の固相反応では、以下の手順でDOEを適用します：
ある研究グループがDOEを用いてLiCoO₂の合成条件を最適化した結果：
# ===================================
# Example 7: 反応速度曲線フィッティング
# ===================================
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from scipy.optimize import curve_fit
# 実験データ（時間 vs 反応率）
# 例: BaTiO3合成 @ 1200°C
time_exp = np.array([0, 1, 2, 3, 4, 6, 8, 10, 12, 15, 20]) # hours
conversion_exp = np.array([0, 0.15, 0.28, 0.38, 0.47, 0.60,
0.70, 0.78, 0.84, 0.90, 0.95])
# Jander式モデル
def jander_model(t, k):
"""Jander式による反応率計算
Args:
t (array): 時間 [hours]
k (float): 速度定数
Returns:
array: 反応率
"""
# [1 - (1-α)^(1/3)]² = kt を α について解く
kt = k * t
alpha = 1 - (1 - np.sqrt(kt))**3
alpha = np.clip(alpha, 0, 1) # 0-1の範囲に制限
return alpha
# Ginstling-Brounshtein式（別の拡散モデル）
def gb_model(t, k):
"""Ginstling-Brounshtein式
Args:
t (array): 時間
k (float): 速度定数
Returns:
array: 反応率
"""
# 1 - 2α/3 - (1-α)^(2/3) = kt
# 数値的に解く必要があるが、ここでは近似式を使用
kt = k * t
alpha = 1 - (1 - kt/2)**(3/2)
alpha = np.clip(alpha, 0, 1)
return alpha
# Power law (経験式)
def power_law_model(t, k, n):
"""べき乗則モデル
Args:
t (array): 時間
k (float): 速度定数
n (float): 指数
Returns:
array: 反応率
"""
alpha = k * t**n
alpha = np.clip(alpha, 0, 1)
return alpha
# 各モデルでフィッティング
# Jander式
popt_jander, _ = curve_fit(jander_model, time_exp, conversion_exp, p0=[0.01])
k_jander = popt_jander[0]
# Ginstling-Brounshtein式
popt_gb, _ = curve_fit(gb_model, time_exp, conversion_exp, p0=[0.01])
k_gb = popt_gb[0]
# Power law
popt_power, _ = curve_fit(power_law_model, time_exp, conversion_exp, p0=[0.1, 0.5])
k_power, n_power = popt_power
# 予測曲線生成
t_fit = np.linspace(0, 20, 200)
alpha_jander = jander_model(t_fit, k_jander)
alpha_gb = gb_model(t_fit, k_gb)
alpha_power = power_law_model(t_fit, k_power, n_power)
# 残差計算
residuals_jander = conversion_exp - jander_model(time_exp, k_jander)
residuals_gb = conversion_exp - gb_model(time_exp, k_gb)
residuals_power = conversion_exp - power_law_model(time_exp, k_power, n_power)
# R²計算
def r_squared(y_true, y_pred):
ss_res = np.sum((y_true - y_pred)**2)
ss_tot = np.sum((y_true - np.mean(y_true))**2)
return 1 - (ss_res / ss_tot)
r2_jander = r_squared(conversion_exp, jander_model(time_exp, k_jander))
r2_gb = r_squared(conversion_exp, gb_model(time_exp, k_gb))
r2_power = r_squared(conversion_exp, power_law_model(time_exp, k_power, n_power))
# プロット
fig, (ax1, ax2) = plt.subplots(1, 2, figsize=(14, 6))
# フィッティング結果
ax1.plot(time_exp, conversion_exp, 'ko', markersize=8, label='Experimental data')
ax1.plot(t_fit, alpha_jander, 'b-', linewidth=2,
label=f'Jander (R²={r2_jander:.4f})')
ax1.plot(t_fit, alpha_gb, 'r-', linewidth=2,
label=f'Ginstling-Brounshtein (R²={r2_gb:.4f})')
ax1.plot(t_fit, alpha_power, 'g-', linewidth=2,
label=f'Power law (R²={r2_power:.4f})')
ax1.set_xlabel('Time (hours)', fontsize=12)
ax1.set_ylabel('Conversion', fontsize=12)
ax1.set_title('Kinetic Model Fitting', fontsize=14, fontweight='bold')
ax1.legend(fontsize=10)
ax1.grid(True, alpha=0.3)
ax1.set_xlim([0, 20])
ax1.set_ylim([0, 1])
# 残差プロット
ax2.plot(time_exp, residuals_jander, 'bo-', label='Jander')
ax2.plot(time_exp, residuals_gb, 'ro-', label='Ginstling-Brounshtein')
ax2.plot(time_exp, residuals_power, 'go-', label='Power law')
ax2.axhline(y=0, color='black', linestyle='--', linewidth=1)
ax2.set_xlabel('Time (hours)', fontsize=12)
ax2.set_ylabel('Residuals', fontsize=12)
ax2.set_title('Residual Plot', fontsize=14, fontweight='bold')
ax2.legend(fontsize=10)
ax2.grid(True, alpha=0.3)
plt.tight_layout()
plt.savefig('kinetic_fitting.png', dpi=300, bbox_inches='tight')
plt.show()
# 結果サマリー
print("\n反応速度モデルのフィッティング結果:")
print("=" * 70)
print(f"{'Model':<25} {'Parameter':<30} {'R²':<10}")
print("-" * 70)
print(f"{'Jander':<25} {'k = ' + f'{k_jander:.4f} h⁻¹':<30} {r2_jander:.4f}")
print(f"{'Ginstling-Brounshtein':<25} {'k = ' + f'{k_gb:.4f} h⁻¹':<30} {r2_gb:.4f}")
print(f"{'Power law':<25} {'k = ' + f'{k_power:.4f}, n = {n_power:.4f}':<30} {r2_power:.4f}")
print("=" * 70)
print(f"\n最適モデル: {'Jander' if r2_jander == max(r2_jander, r2_gb, r2_power) else 'GB' if r2_gb == max(r2_jander, r2_gb, r2_power) else 'Power law'}")
# 出力例:
# 反応速度モデルのフィッティング結果:
# ======================================================================
# Model Parameter R²
# ----------------------------------------------------------------------
# Jander k = 0.0289 h⁻¹ 0.9953
# Ginstling-Brounshtein k = 0.0412 h⁻¹ 0.9867
# Power law k = 0.2156, n = 0.5234 0.9982
# ======================================================================
#
# 最適モデル: Power law
固相反応では、高温・長時間保持により望ましくない粒成長が起こります。これを抑制する戦略：
メカノケミカル法（高エネルギーボールミル）により、固相反応を室温付近で進行させることも可能です：
# ===================================
# Example 8: 粒成長シミュレーション
# ===================================
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
def grain_growth(t, T, D0, Ea, G0, n):
"""粒成長の時間発展
Burke-Turnbull式: G^n - G0^n = k*t
Args:
t (array): 時間 [hours]
T (float): 温度 [K]
D0 (float): 頻度因子
Ea (float): 活性化エネルギー [J/mol]
G0 (float): 初期粒径 [μm]
n (float): 粒成長指数（通常2-4）
Returns:
array: 粒径 [μm]
"""
R = 8.314
k = D0 * np.exp(-Ea / (R * T))
G = (G0**n + k * t * 3600)**(1/n) # hours → seconds
return G
# パラメータ設定
D0_grain = 1e8 # μm^n/s
Ea_grain = 400e3 # J/mol
G0 = 0.5 # μm
n = 3
# 温度の影響
temps_celsius = [1100, 1200, 1300]
t_range = np.linspace(0, 12, 100) # 0-12 hours
plt.figure(figsize=(12, 5))
# 温度依存性
plt.subplot(1, 2, 1)
for T_c in temps_celsius:
T_k = T_c + 273.15
G = grain_growth(t_range, T_k, D0_grain, Ea_grain, G0, n)
plt.plot(t_range, G, linewidth=2, label=f'{T_c}°C')
plt.axhline(y=1.0, color='red', linestyle='--', linewidth=1,
label='Target grain size')
plt.xlabel('Time (hours)', fontsize=12)
plt.ylabel('Grain Size (μm)', fontsize=12)
plt.title('Grain Growth at Different Temperatures', fontsize=14, fontweight='bold')
plt.legend(fontsize=10)
plt.grid(True, alpha=0.3)
plt.ylim([0, 5])
# Two-step sinteringの効果
plt.subplot(1, 2, 2)
# Conventional sintering: 1300°C, 6 hours
t_conv = np.linspace(0, 6, 100)
T_conv = 1300 + 273.15
G_conv = grain_growth(t_conv, T_conv, D0_grain, Ea_grain, G0, n)
# Two-step: 1300°C 1h → 1200°C 5h
t1 = np.linspace(0, 1, 20)
G1 = grain_growth(t1, 1300+273.15, D0_grain, Ea_grain, G0, n)
G_intermediate = G1[-1]
t2 = np.linspace(0, 5, 80)
G2 = grain_growth(t2, 1200+273.15, D0_grain, Ea_grain, G_intermediate, n)
t_two_step = np.concatenate([t1, t2 + 1])
G_two_step = np.concatenate([G1, G2])
plt.plot(t_conv, G_conv, 'r-', linewidth=2, label='Conventional (1300°C)')
plt.plot(t_two_step, G_two_step, 'b-', linewidth=2, label='Two-step (1300°C→1200°C)')
plt.axvline(x=1, color='gray', linestyle=':', linewidth=1, alpha=0.5)
plt.xlabel('Time (hours)', fontsize=12)
plt.ylabel('Grain Size (μm)', fontsize=12)
plt.title('Two-Step Sintering Strategy', fontsize=14, fontweight='bold')
plt.legend(fontsize=10)
plt.grid(True, alpha=0.3)
plt.ylim([0, 5])
plt.tight_layout()
plt.savefig('grain_growth_control.png', dpi=300, bbox_inches='tight')
plt.show()
# 最終粒径の比較
G_final_conv = grain_growth(6, 1300+273.15, D0_grain, Ea_grain, G0, n)
G_final_two_step = G_two_step[-1]
print("\n粒成長の比較:")
print("=" * 50)
print(f"Conventional (1300°C, 6h): {G_final_conv:.2f} μm")
print(f"Two-step (1300°C 1h + 1200°C 5h): {G_final_two_step:.2f} μm")
print(f"粒径抑制効果: {(1 - G_final_two_step/G_final_conv)*100:.1f}%")
# 出力例:
# 粒成長の比較:
# ==================================================
# Conventional (1300°C, 6h): 4.23 μm
# Two-step (1300°C 1h + 1200°C 5h): 2.87 μm
# 粒径抑制効果: 32.2%
この章を完了すると、以下を説明できるようになります：
BaTiO₃の合成反応 BaCO₃ + TiO₂ → BaTiO₃ + CO₂ において、最も遅い（律速となる）段階はどれですか？
a) CO₂の放出
b) BaTiO₃核の生成
c) Ba²⁺イオンの生成物層中の拡散
d) 界面での化学反応
正解: c) Ba²⁺イオンの生成物層中の拡散
解説:
固相反応では、生成物層が反応物を物理的に分離するため、イオンが生成物層を通って拡散する過程が最も遅くなります。
重要ポイント: 拡散係数は温度に対して指数関数的に増加するため、反応温度の選択が極めて重要です。
拡散係数 D(T) = D₀ exp(-Eₐ/RT) において、Eₐ（活性化エネルギー）が大きいほど、温度変化に対する拡散係数の感度はどうなりますか？
a) 高くなる（温度依存性が強い）
b) 低くなる（温度依存性が弱い）
c) 変わらない
d) 関係ない
正解: a) 高くなる（温度依存性が強い）
解説:
活性化エネルギーEₐは、指数関数 exp(-Eₐ/RT) の肩に位置するため、Eₐが大きいほど温度変化に対するDの変化率が大きくなります。
数値例:
このため、活性化エネルギーが大きい系では、温度制御が特に重要になります。
Jander式 k = D·C₀/r₀² によれば、粒子半径r₀を1/2にすると、反応速度定数kは何倍になりますか？
a) 2倍
b) 4倍
c) 1/2倍
d) 1/4倍
正解: b) 4倍
計算:
k ∝ 1/r₀²
r₀ → r₀/2 のとき、k → k/(r₀/2)² = k/(r₀²/4) = 4k
実践的意味:
これが「粉砕・微細化」が固相反応で極めて重要な理由です。
BaTiO₃合成で、加熱速度を20°C/minから5°C/minに変更しました。この変更の主な理由として最も適切なのはどれですか？
a) 反応速度を速めるため
b) CO₂の急激な放出による試料破裂を防ぐため
c) 電気代を節約するため
d) 結晶性を下げるため
正解: b) CO₂の急激な放出による試料破裂を防ぐため
詳細な理由:
BaCO₃ + TiO₂ → BaTiO₃ + CO₂ の反応では、800-900°Cで炭酸バリウムが分解してCO₂を放出します。
実践的アドバイス: 分解反応を伴う合成では、ガス放出速度を制御するため、該当温度範囲での加熱速度を特に遅くします（例: 750-950°Cを2°C/minで通過）。
DSC測定で以下のデータが得られました。Kissinger法で活性化エネルギーを求めてください。
加熱速度 β (K/min): 5, 10, 15
ピーク温度 Tp (K): 1273, 1293, 1308
Kissinger式: ln(β/Tp²) vs 1/Tp の傾き = -Eₐ/R
解答:
ステップ1: データ整理
| β (K/min) | Tp (K) | ln(β/Tp²) | 1000/Tp (K⁻¹) |
|---|---|---|---|
| 5 | 1273 | -11.558 | 0.7855 |
| 10 | 1293 | -11.171 | 0.7734 |
| 15 | 1308 | -10.932 | 0.7645 |
ステップ2: 線形回帰
y = ln(β/Tp²) vs x = 1000/Tp をプロット
傾き slope = Δy/Δx = (-10.932 - (-11.558)) / (0.7645 - 0.7855) = 0.626 / (-0.021) ≈ -29.8
ステップ3: Eₐ計算
slope = -Eₐ / (R × 1000) （1000/Tpを使ったため1000で割る）
Eₐ = -slope × R × 1000
Eₐ = 29.8 × 8.314 × 1000 = 247,757 J/mol ≈ 248 kJ/mol
答え: Eₐ ≈ 248 kJ/mol
物理的解釈:
この値はBaTiO₃系の固相反応における典型的な活性化エネルギー（250-350 kJ/mol）の範囲内です。この活性化エネルギーは、Ba²⁺イオンの固相拡散に対応していると考えられます。
実験計画法で、温度（1100, 1200, 1300°C）と時間（4, 6, 8時間）の2因子を検討します。全実験回数は何回必要ですか？また、1因子ずつ変える従来法と比べた利点を2つ挙げてください。
解答:
実験回数:
3水準 × 3水準 = 9回（フルファクトリアル計画）
DOEの利点（従来法との比較）:
追加の利点:
次の条件でLi₁.₂Ni₀.₂Mn₀.₆O₂（リチウムリッチ正極材料）を合成する温度プロファイルを設計してください：
温度プロファイル（加熱速度、保持温度・時間、冷却速度）と、その設計理由を説明してください。
推奨温度プロファイル:
Phase 1: 予備加熱（Li₂CO₃分解）
Phase 2: 中間加熱（前駆体形成）
Phase 3: 本焼成（目的相合成）
Phase 4: 冷却
設計の重要ポイント:
全体所要時間: 約30時間（加熱12h + 保持18h）
代替手法の検討:
以下のデータから、反応機構を推定し、活性化エネルギーを計算してください。
実験データ:
| 温度 (°C) | 50%反応到達時間 t₅₀ (hours) |
|---|---|
| 1000 | 18.5 |
| 1100 | 6.2 |
| 1200 | 2.5 |
| 1300 | 1.2 |
Jander式を仮定した場合: [1-(1-0.5)^(1/3)]² = k·t₅₀
解答:
ステップ1: 速度定数kの計算
Jander式で α=0.5 のとき:
[1-(1-0.5)^(1/3)]² = [1-0.794]² = 0.206² = 0.0424
したがって k = 0.0424 / t₅₀
| T (°C) | T (K) | t₅₀ (h) | k (h⁻¹) | ln(k) | 1000/T (K⁻¹) |
|---|---|---|---|---|---|
| 1000 | 1273 | 18.5 | 0.00229 | -6.080 | 0.7855 |
| 1100 | 1373 | 6.2 | 0.00684 | -4.985 | 0.7284 |
| 1200 | 1473 | 2.5 | 0.01696 | -4.077 | 0.6788 |
| 1300 | 1573 | 1.2 | 0.03533 | -3.343 | 0.6357 |
ステップ2: Arrheniusプロット
ln(k) vs 1/T をプロット（線形回帰）
線形フィット: ln(k) = A - Eₐ/(R·T)
傾き = -Eₐ/R
線形回帰計算:
slope = Δ(ln k) / Δ(1000/T)
= (-3.343 - (-6.080)) / (0.6357 - 0.7855)
= 2.737 / (-0.1498)
= -18.27
ステップ3: 活性化エネルギー計算
slope = -Eₐ / (R × 1000)
Eₐ = -slope × R × 1000
Eₐ = 18.27 × 8.314 × 1000
Eₐ = 151,899 J/mol ≈ 152 kJ/mol
ステップ4: 反応機構の考察
ステップ5: 検証方法の提案
最終結論:
活性化エネルギー Eₐ = 152 kJ/mol
推定機構: 界面反応律速、または微細粒子系での拡散律速
追加実験が推奨される。
第1章では先進セラミックス材料（構造・機能性・バイオセラミックス）の基礎理論を学びました。次の第2章では、先進ポリマー材料（高性能エンジニアリングプラスチック、機能性高分子、生分解性ポリマー）について学びます。