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CALPHAD はComputer Coupling of Phase Diagrams and Thermochemistryの略で、1970 年に Larry Kaufman によって導入された手法で、当初はCALculation of PHAse Diagramsとして知られていました。[1] [2] [3]平衡状態図は通常、化学システムの温度と組成の軸を持つ図です。物質または溶液 (つまり相) が安定している領域と、2 つ以上の物質または溶液が共存する領域を示します。相図は、さまざまな条件下でのシステムの状態を予測するための非常に強力なツールであり、当初は平衡状態に関する実験情報を合理化するためのグラフィカルな方法でした。複雑なシステムでは、CALPHAD などの計算方法を使用して、各相の熱力学的特性をモデル化し、多成分相の挙動をシミュレートします。[4] [5] [6] CALPHAD アプローチは、相図がシステムの平衡熱力学的特性の現れであり、個々の相の特性の合計であるという事実に基づいています。[7]したがって、まずシステム内のすべての相の熱力学的特性を評価することによって相図を計算することが可能である。
方法論
CALPHAD法では、システム内の相平衡に関するすべての実験情報と、熱化学および熱物理学的研究から得られたすべての熱力学情報を収集します。[2]次に、調整可能なパラメータを含む数学モデルを使用して各相の熱力学的特性について説明します。パラメータは、共存相も含めたすべての情報に対するモデルの適合を最適化することで評価されます。その後、すべての相の熱力学的特性だけでなく相図も再計算できます。CALPHAD法の考え方は、相図と熱力学的特性の一貫した説明を取得して、実験情報のない領域と相転移のシミュレーション中の準安定状態の安定相のセットとその熱力学的特性を確実に予測することです。
相の熱力学的モデリング
CALPHAD 法の成功には、2 つの重要な要素があります。1 つ目は、各相のギブス エネルギーについて、現実的かつ便利な数学モデルを見つけることです。ギブス エネルギーが使用されるのは、ほとんどの実験データが既知の温度と圧力で決定されており、他の熱力学的量をそこから計算できるためです。解析式を使用して、多成分系のギブス エネルギーの挙動を正確に記述することはできません。したがって、主な特徴を特定し、それに基づいて数学モデルを構築する必要があります。モデルと現実の食い違いは、最終的に、温度、圧力、相の構成のべき級数展開によって表されます。これらのモデル記述の調整可能なパラメーターは、実験データを再現するように調整されます。CALPHAD 法の強みは、構成サブシステムの記述を組み合わせて多成分系を記述できることです。
均衡計算
2 つ目の重要な要素は、平衡を計算するためのコンピュータ ソフトウェアと、評価された情報が保存されたさまざまな種類の図表やデータベースが利用できることです。現在、さまざまな相にさまざまなモデルが使用されているため、鋼、超合金、半導体材料、水溶液、スラグなどのさまざまな材料用の熱力学データベースが無料または市販されています。また、平衡を計算するためのさまざまなアルゴリズムを使用するさまざまな種類のソフトウェアも利用できます。ソフトウェアを使用して、温度、圧力、全体的な構成だけでなく、システムのさまざまな条件を使用して平衡を計算できると便利です。多くの場合、平衡は定積または元素の 特定の化学ポテンシャルまたは特定の相の特定の構成で決定できるためです。
アプリケーション
CALPHAD は 60 年代にゆっくりとしたスタートを切りましたが、80 年代には洗練された熱力学データ バンク システムが登場し始め、今日では FactSage、MTDATA、PANDAT、MatCalc、JMatPro、Thermo-Calc などの市販製品や、OpenCalphad、[8] PyCalphad、ESPEI などのオープン ソース コードが市場に出回っています。これらは研究や産業開発 (PrecipiCalc ソフトウェアやMaterials by Design Technology など) で使用されており、実験作業が軽減され、このアプローチなしでは実質的に達成できない多成分システムの熱力学予測が可能になるため、時間とリソースを大幅に節約できます。この名前のジャーナルがあり、最近の科学的成果が掲載されていますが、CALPHAD 方法の使用について説明する科学論文は、他の多くのジャーナルでも掲載されています。
参照
参考文献
- ^ Kaufman L.; Bernstein H. (1970).相図のコンピュータ計算. Academic Press NY. ISBN 0-12-402050-X。
- ^ ab Fabrichnaya Olga B.; Saxena Surendra K.; Richet Pascal; Westrum Edgar F. Jr. (2004).多成分酸化物システムの熱力学データ、モデル、および相図：熱量測定、体積測定、相平衡データに基づく材料および惑星科学者向けの評価。ベルリン、ハイデルベルク：Springer Berlin Heidelberg。ISBN 9783662105047. OCLC 851391370.
- ^ Kattner Ursula R. (2016). 「CALPHAD法と材料およびプロセス開発におけるその役割」Tecnol. Metal. Mater. Miner . 13 (1): 3–15. doi : 10.4322/2176-1523.1059 . PMC 4912057 . PMID 27330879.
- ^ Lukas HL; Fries Suzana G.; Sundman Bo (2007).計算熱力学: CALPHAD 法. ケンブリッジ: ケンブリッジ大学出版局. ISBN 978-0521868112. OCLC 663969016.
- ^ サンダース N. Miodownik P. (1998)。カーン RW (編)。カルファード。ペルガモン マテリアル シリーズ、第 1 巻。ISBN 0-08-042129-6。
- ^ Y.Austin Chang (2004). 「相図計算：過去、現在、そして未来」。Progress in Materials Science . 49 (3): 313–345. doi :10.1016/S0079-6425(03)00025-2.
- ^ Zi-Kui Liu、Wang Yi (2016)。材料の計算熱力学。ケンブリッジ。ISBN 9780521198967. OCLC 960196125.
{{cite book}}: CS1 メンテナンス: 場所が見つかりません 発行者 (リンク) - ^ Sundman Bo (2021). 「多成分平衡、相図、その他の種類の図を計算するのに役立つアルゴリズム」. Calphad . 75 :102330. doi :10.1016/j.calphad.2021.102330.
外部リンク
- CALPHAD公式ウェブサイト