メカノケミカル活性化を利用した新しい燃焼合成法による炭化物-硼化物複合材料の合成

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14550797
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 土田 猛 北海道大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (40041959)
• Keywords: メカノケミカル活性化 / 炭化ジルコニウム / 硼化ジルコニウ / 複合材料 / 燃焼合成 / ビッカース硬度 / 破壊靭性

Research Abstract

ZrC-ZrB_2やNbC-NbB_2などの遷移金属炭化物-硼化物系のセラミック複合材料は、高強度、高硬度、高融点、耐摩耗性、耐食性などに優れているため、高温構造材料や耐摩耗性材料としての応用が期待されている。これまで、Zr/B/C、Nb/B/C系混合粉をボールミル中でわずか1時間程度の粉砕活性化後、空気中へ曝すと自然着火して燃焼合成反応(MA-SHS)が進行し、ZrC-ZrB_2、NbC-NbB_2などの炭化物と硼化物が同時生成することを見いだし、その反応機構等について検討してきた。生成物の組織観察から、MA-SHSで得られた試料は数μm程度の微細な均一粒子から成っているため、ZrC-ZrB_2系複合材料原料としての利用に適していると考えられ、放電プラズマ焼結法(SPS)を用いて焼結体を作成し、その機械的特性について詳細に検討した。その結果、まずMA-SHS試料は単なるZr/B/C混合試料、これを粉砕活性化した試料、および市販品ZrC/ZrB_2混合試料などと比べて最も優れた複合材料原料であることを確認した。さらに、Zr/B/C=4/2/3〜5/8/1の種々の混合比出発試料を用いてMA-SHS試料を合成し、そのSPS焼結体のビッカース硬度や破壊靭性などを測定したところ、硬度はZrC、破壊靭性値はZrB_2の割合が多い試料で高い値を示す傾向が見られ、それぞれの単体が持つ特性を反映していた。硬度はZr/B/C=2/2/1の混合試料から得られたZrC-ZrB_2複合材料が17.8GPa、破壊靭性値はZr/B/C=4/6/1混合試料から得られたものが5.1MPa・m^<1/2>で最大であった。
以上の結果より、高効率で高純度の炭化物-硼化物複合材料を合成できるMA-SHS最適条件の確立、炭化物-硼化物複合材料のSPS焼結条件や機械的特性(ビッカース硬度、破壊靭性など)などについて調べ、実用化のための基礎的知見を得ることができた。

Research Products

• [Publications] Takeshi Tsuchida, Satoshi Yamamoto: "Mechanical activation assisted self-propagating high-temperature synthesis of ZrC and ZrB_2 in air from the Zr/B/C powder mixtures"Journal of European Ceramic Society. 24. 45-51 (2004)
• [Publications] Takeshi Tsuchida, Satoshi Yamamoto: "MA-SHS of ZrC and ZrB_2 in air from the Zr/B/C powder mixtures"Key Engineering Materials. (in press).
• [Publications] Takeshi Tsuchida, Satoshi Yamamoto: "MA-SHS and SPS of ZrB_2-ZrC composites"Solid State Ionics. (in press).