レーザー照射によるダイヤモンド-SiC複合材料の創製と反応メカニズムの解明

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19K15664
• Research Institution: Japan Fine Ceramics Center
• Principal Investigator: 末廣 智 一般財団法人ファインセラミックスセンター, その他部局等, 研究員 (70736818)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: レーザー / SiC / 反応焼結 / セラミックス

Outline of Annual Research Achievements

ダイヤモンドは、優れた機械的・熱的特性を有する材料である。しかし、ダイヤモンドの焼結は困難であるため金属を結合相とする複合材料が「ダイヤモンド焼結体」と一般に呼ばれている。さらに、ダイヤモンドは標準状態では準安定層であるため、800 ℃程度の不活性雰囲気でグラファイトに相転移する。本研究では、レーザー照射下で容易に進行するSi+C→SiCの固液反応を利用し、またレーザー吸収係数の違いによるSiC結合相の選択的加熱によるダイヤモンドの相転移を抑制することによって、従来法では不可能なC(dia)/SiC複合材料の作製を行った。
具体的な実験方法として、ダイヤモンドとCの圧粉成形体(上部層)とSi圧粉成形体（下部層）からなる積層構造体を作製し、その上部層の表面にCWのNd:YAGレーザーを試料全体に照射することで、ダイヤモンド-反応焼結SiCの複合材料を作製し、微構造および熱的特性を評価した。
2色温度計を用いてレーザー照射下における表面温度分布を評価した結果、レーザー照射時間が増加するにつれて表面温度が増加し、やがて最表面層まで溶融シリコンが到達した後に表面温度が減少することがわかった。これは、レーザー照射により上部層のCが発熱し、伝熱により下部層の溶融Siが上部層(ダイヤモンド＋C)に含侵することでレーザーの吸収率が低下したと考えられる。そして作製した試料においてSEMによる内部微構造を観察した結果、ダイヤモンドが熱分解することなく、シリコン中にダイヤモンド粒子が均一分散している様子が見られた。次にフラッシュ法を用いて熱拡散率を算出し熱伝導率を見積もった。その結果、熱伝導率はダイヤモンドの粒子サイズや含有量に依存して変化することが分かった。ダイヤモンドの仕込み量が70 vol%において密度2.94 (g/cm3)であり、この時の熱伝導率は169（W/mK）であった。この時の値をHasselman-Johnsonの式から得られた熱伝導率の値と比較したところ、おおよそ一致した