高窒素含有液相を用いた耐熱窒化ケイ素の合成

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15360355
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: 広崎 尚登 独立行政法人物質・材料研究機構, 物質研究所, 主席研究員 (80343838)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 高橋 純一 東北大学, 多元物質研究所, 助手 (20261472) ; 田中 英彦 独立行政法人物質・材料研究機構, 物質研究所, アソシエートディレクター (40343868) ; 西村 聡之 独立行政法人物質・材料研究機構, 物質研究所, 主幹研究員 (50354428) ; 山根 久典 東北大学, 学際科学国際高等研究センター, 教授 (20191364)
• Keywords: 希土類 / 窒化物 / ガス圧焼結 / ルテチウム / 粒界相 / 液相焼結 / 状態図 / 構造解析

Research Abstract

窒化ケイ素の粒界相を高窒素含有組成とすることにより、焼結体の耐熱性を向上させることを狙いとして研究を進め、平成15年度は以下の3項目の実績をあげた。
1.当課題の組成設計の基本指針であるLu-Si-O-N四元系における新規高窒素含有相としてLu_3Si_5ON_9及びLu_6Si_<11>ON_<20>の2種類の結晶を選定し、これらを合成するためのプロセスとして、Si_3N_4-Lu_2O_3-LuNの原料を高圧の窒素中で反応させる反応系を設計した。
2.高窒素含有液相を生成するために必須の高純度窒化ルテチウム(LuN)の合成に成功した。Lu金属のガス圧直接窒化プロセスにより、温度1600〜1700℃、窒素ガス1MPa、反応時間8時間の条件下でLuNを合成し、粉末X線回折、密度、化学組成分析の精密測定により、反応率が97%に達することを確認した。希土類金属が窒化される際に、h.c.pから岩塩構造への結晶構造の転移に伴うモル体積変化により、金属の内部まで窒素が侵入することにより高速窒化反応が達成されるとの知見を得た。これは、同一構造を有するTm、Er、Ho等の重希土類においても同様の機構により反応が進むことを示唆しており、これらの系へ直接窒化プロセスの適用が期待できる。
3.合成したLuN原料を用いて、Si_3N_4-Lu_2O_3-LuN系での新規物質の探索を行い、高窒素含有液相組成を構成するLu_3Si_5ON_9とLu_6Si_<11>HON_<20>の生成を確認した。今後、これらの相について単相試料を合成した後に、X線解析による相関係の考察及び結晶構造の精密化を進める予定である。

Research Products

• [Publications] S.Guo, N.Hirosaki, et al.: "Microstructural characterization and high-temperature strength of hot-pressed silicon nitride ceramics with Lu2O3 additives"Philosophical Magazine Letters. 83・6. 357-365 (2003)
• [Publications] S.Guo, N.Hirosaki, et al.: "Hot-Pressed Silicon Nitride with Lu2O3 Additives : Oxidation and Its Effect on Strength"Journal of American Ceramic Society. 86・11. 1900-1905 (2003)
• [Publications] T.Suehiro, N.Hirosaki, et al.: "Preparation of lutetium nitride by direct nitridation"Journal of Materials Research. 19・3. 959-963 (2004)