MGC材料のバルクおよびファイバーによる耐熱強度材応用新規複合材料の開発

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12555205
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 吉川 彰 東北大学, 多元物質科学研究所, 助手 (50292264)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 和久 芳春 宇部興産株式会社, 主任研究員 ; KO JungMin 東北大学, 多元物質科学研究所, 助手 (00333881) ; 福田 承生 東北大学, 多元物質科学研究所, 研究教授 (30199236)
• Keywords: 共晶体 / マイクロ引き下げ法 / 構造材料 / 単結晶 / 省エネルギー

Research Abstract

本研究は、一方向凝固酸化物共晶体(MGC材料)を対象材料とし、結晶作製技術の確立、結晶の形状制御、新素材探索等を核として推進してきた。
まず、結晶作製技術の確立に関しては、当研究室独自開発のマイクロ引き下げ法(μ-PD法)に、坩堝・断熱材・hot zoneの構造などの改良を加え、2000℃域の高融点をもつY_3Al_5O_12(YAG,融点1930℃)などのガーネット型酸化物とAl_2O_3(sapphire,融点2050℃)との共晶体を安定的に作製する技術を確立した。
MGC材料を構造材料として用いる場合、結晶作製時にバルク体やファイバー状などに成型できることは、コスト面で大きなアドバンテージとなる。そこで坩堝先端のメニスカス部に着目し、メニスカス形状とファイバー径の間に強い相関関係が存在することを見出した。この解析結果から、坩堝形状に改良を加えた改良型μ-PD法を開発し、ロッド状、ファイバー状、リボン状などの種々の形状の共晶体結晶の作製技術を確立した。バルク結晶としては5mmφまでのロッド及び幅l0mmまでの板状結晶、ファイバーとしては直径150μmφまでの細径化に成功した。
Sapphire/YAG二元系において、Bridgman法で作製した材料を上回る特性を達成したが、更なる高特性化を目指して三元共晶組成の探索を行った。その結果、sapphire/YAG/zirconia三元系において、sapphire/YAG二元系を上回る強度を示すことを見出した。この材料の高温強度特性を評価したところ、これまでに、室温(大気中)で1730MPa、1200℃(アルゴン中)で970MPaという世界最高強度値を得た。この値は、自動車等のエンジンパーツなどに要求される水準を達成しており、今後の実用化に向けた大きな前進と言える。

Research Products

• [Publications] J.B.Shim et al.: "Growth af Bi_4Ge_3O_<12> single ctystal by the micro-pulling down method from bismuth rich composition"J.of crystal Growth. 243. 157-163 (2002)
• [Publications] J.B.Shim et al.: "Eu^<3+> doped Bi_4Ge_3O_<12> fiber single crystals grown by the micro-pulling down method"J.of crystal Growth. 245. 67-72 (2002)
• [Publications] A.Yoshikawa et al.: "{Y_<3-X>, YB_X}[Ga]_2(Ga)_3O_<12> and {Lu_2Yb_1}[Al]_2(Al)_3O_<12> singl crystals for scintillator application grown by the modified micro-pulling down method"Nucl.Instrum.Method Phys.Res.. 486. 79-82 (2002)
• [Publications] A.Yoshikawa et al.: "Atomic force microscopy study on sapphire/YAG eutectic filder"Applied Phisics A, Materials Science & Processing. 76. 213-217 (2002)
• [Publications] 吉川 彰: "応用物理ハンドブック、第2版、Chapter7.2.8c"丸善株式会社(印刷中). (2003)