共晶

共晶：低融点の混合物と様々な応用

共晶とは、複数の物質が均一に混ざり合った混合物で、各成分の融点よりも低い融点を示す性質を持つものです。合[[金]]をはじめ、様々な物質系で観察され、その特異な性質から幅広い用途に利用されています。

共晶の形成と特徴

例えば、金属Aと金属Bを混ぜて合[[金]]を作るとき、AとBの比率が特定の範囲を超えると、異なる組成の固溶体結晶が混ざり合った共晶組織を形成します。このとき、最も低い融点は共晶温度と呼ばれ、相図上では共晶点として表されます。

共晶以外の混合物は、各成分が異なる温度で固化するため、融解・凝固点温度が一つではなく、温度範囲を持ちます。一方、共晶混合物は、単一の鋭い温度で融解・凝固するという特徴があります。

共晶反応は、冷却により液相が複数の固相に変化する不変反応です。この反応は熱平衡状態にあり、ギブズの自由エネルギー変化がゼロとなります。反応中は温度が一定に保たれ、熱停止現象が見られます。

形成される共晶組織の形状（層状、棒状、球状など）は、固溶体の核生成と成長の過程に依存します。

共晶の種類と用途

共晶は、合[[金]]、塩類、有機化合物など様々な物質系で形成されます。

合[[金]]

共晶合[[金]]は、特定の組成比で単一の融点を持ち、はんだ付け、ろう付け、金属鋳造などに利用されます。

はんだ: 従来は鉛とスズを主成分とした合[[金]]でしたが、近年は鉛フリーはんだ（スズ、銀、銅など）が主流となっています。
鋳造合[[金]]: シルミン、鋳鉄など様々な合[[金]]が共晶を利用して作られています。
集積回路の共晶接合: シリコンチップと金メッキ基板の接合などに用いられます。
その他の用途: 過負荷リレー、温度応答材料（ウッドメタルなど）、非毒性水銀代替物（ガリンスタン）など

その他の物質系

共晶現象は、合[[金]]以外にも様々な物質系で見られます。

塩化ナトリウムと水: 除雪やアイスクリーム製造に利用される共晶混合物を形成します。
エタノールと水: 分別凍結による高濃度アルコールの製造に関連します。
太陽熱発電: 硝酸塩の共晶混合物が蓄熱材として使用されます。
局所麻酔薬: リドカインとプリロカインの共晶混合物がEMLAクリームとして使用されています。
医薬品: メントールと樟脳の共晶混合物は薬局方にも記載されています。
インク: インクジェットプリンターの低温動作を可能にする共晶インクなど。

非共晶組成

共晶点以外の組成では、冷却時に成分が段階的に析出します。成分αの割合が多い組成を亜共晶、成分βの割合が多い組成を過共晶と呼びます。

共晶構造の強化機構

共晶合[[金]]の機械的性質は、構成相の性質とミクロ構造に大きく依存します。

複合材料としての強化: 柔軟な相と剛性のある相が荷重を転移し合うことで、靭性を向上させます。
二次相間隔: 二次相の間隔を小さくすることで、相界面積が増加し、強度が増します。
* 高温変形: 高温でのクリープ強度には、相構造の形状とサイズが重要な役割を果たします。

その他の相変態

共晶以外にも、固相内で起こる共析反応、包晶反応、包析反応など、様々な相変態が存在します。これらの反応は、合[[金]]のミクロ構造と性質に影響を与えます。

共晶点の計算

共晶点の組成と温度は、各成分の熱力学的性質（融解エンタルピー、エントロピーなど）を用いて計算できます。ギブズの自由エネルギーの温度依存性や化学ポテンシャルを用いた計算手法が存在します。

まとめ

共晶は、物質科学において重要な概念であり、その特異な性質は様々な分野で活用されています。合[[金]]設計、材料開発において、共晶の理解は不可欠です。今後さらなる研究によって、共晶の特性や応用範囲が拡大していくことが期待されます。

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