2018 Fiscal Year Annual Research Report
硬さと割れにくさを兼ね備えたガラスの合成と構造解析
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17H03121
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| Research Institution | Hirosaki University |
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Principal Investigator |
増野 敦信 弘前大学, 理工学研究科, 准教授 (00378879)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | アルミネートガラス / ビッカース硬度 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は，これまでのガラスの常識を超える機械的強度をもつ新たな材料，すなわち「本質的に」硬いガラス，割れないガラス，そして，硬くて割れないガラスを開発することである．ガラス合成手法として無容器法を用いることで，従来ガラス化しないと思われていたような組成（網目形成酸化物を含まない組成）において，新規高充填密度ガラスを合成し，その機械特性を多角的に評価する．
MgOはCaOやSrO，BaOなどのアルカリ土類酸化物と同様に，従来のガラス科学では修飾酸化物と見なされており，含有量を多くすることは出来ないと認識されている．ところが67MgO-33SiO2組成は，無容器法によって合成することができる．今年度は，MgO-SiO2-PO5/2三元系，MgO-SiO2-BO3/2三元系において，MgOを67mol%以上含有できるガラスの開発に成功した．これらMgO高含有組成のガラスは，MgOnがネットワークに参画することで，構造の充填度合いが増し，結果として硬度が上昇していることがわかった．
平成29年度に引き続きAl2O3-Ta2O5-Y2O3三元系において組成開発を続けたところ，Y2O3が10～20mol%の組成域で，極めてガラス化しやすい組成を見いだした．今後の大型化が期待できる．微小硬度計によって弾塑性変形比率を計測したところ，一般的なガラスとは大きく異なる変形機構であることが明らかとなった．ネットワーク型酸化物ガラスよりも，ランダム充填型金属ガラスのようにずれ変形を示していた．
また，平成29年度に初めて合成に成功したLa2O3-Ga2O3系ガラスについては，Er3+を添加することで，優れた赤外発光特性を示すことを報告した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成30年度はAl2O3-SiO2系において高硬度組成を探索していたが，その過程で，MgO高含有組成域での新たなガラス化範囲を見いだすことができたので，そちらを優先して調べることとした．イオン半径が小さく，価数が大きなMg2+は，イオン電場強度が大きいイオンの一つである．そのため，しばしばNa+やCa2+などの一般的な網目修飾イオンとは異なる影響，すなわちより充填密度を高くすること，をガラス構造に及ぼすことが知られている．30年度に見いだした新たなMgO高含有MgO-SiO2-PO5/2三元系，MgO-SiO2-BO3/2三元系について，構造解析を行ったところ，ネットワーク成分であるSiO4やPO4，あるいはBO3などが，ガラス中でほぼ完全に孤立していることがわかった．これは従来型のガラス形成則からはみ出した現象であり興味深い．また充填密度が高くなった結果，硬度も上昇しており，局所構造をコントロールしたことで高硬度ガラスの開発へと繋げることができた．
また超高弾性率を有する54Al2O3-46Ta2O5-MOx(= Nb2O5，Ga2O3，Y2O3)ガラスについても構造解析と硬度との相関を調べた．弾塑性変形比率はいずれのガラスでもほぼ変化は無かったものの，一般的なガラスよりも金属のように，荷重が加えられたら塑性変形しやすいことが明らかとなった．
La2O3-Ga2O3系ガラスについては，各種希土類添加によって優れた発光特性を示すことがわかった．今後機械特性を測定し，硬いガラスとして評価を進めるとともに，構造解析を通じて構造と物性の相関を探る．
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| Strategy for Future Research Activity |
2年間の研究によって，Al2O3-Ta2O5-MOx三元系，MgO-SiO2-BO3/2三元系，MgO-SiO2-PO5/2三元系，La2O3-Ga2O3-MOx三元系など，優れたガラス安定性，硬度，赤外透過性，発光特性を示す新たなガラス組成を見いだすことができた．今後はこれらニューガラスの機械特性をさらに詳細に調べるとともに，割れにくいガラスであるAl2O3-SiO2二元系と組み合わせることで，破壊靱性が向上したガラスの実現を目指す．
機械特性については，微小硬度計によって得られる弾塑性変形比率が興味深い．これまでに得られた結果からは，我々が合成したニューガラスは，一般的なガラスとは変形機構が異なること，金属ガラスのように変形することなどが示唆されている．現在分子動力学シミュレーションによって，信頼性の高い構造モデルの構築に取り組んでおり，ここから機械特性や変形機構に関する知見が得られると期待される．現時点でAl2O3-Ta2O5二元系に関しては，放射光XRDや中性子回折をよく再現する構造モデルを作製し，そこからヤング率を計算することができている．また，MgO-SiO2-PO5/2三元系では，ラマン散乱から得られる局所構造分布と一致する構造モデルの作製に成功している．
無容器法で得られるガラスのサイズは直径約2mmの球であるため，市販の装置では弾性率の測定は困難である．平成31年度はこうした小さな試料でも測定できる装置を組み上げる予定である．
以上の研究をさらに進めることで，ニューガラスが示す特異な機械特性を構造の観点から理解することを試みる．
これまでに得られた成果については現在論文にまとめているところであり，本年度中の掲載を目指す．
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Research Products
(21 results)
