Challenge to strengthen ceramics beyond theoretical strength by introducing lattice defects

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K04937
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 近藤 創介 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (10563984)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: SiC繊維 / マイクロピラー / 共有結合 / 強度

Outline of Annual Research Achievements

本来，IV-IV族化合物であるSiC結晶の硬さは共有結合強度に由来し，その本質は核間領域の電子軌道の重なりの大きさである．これは重なりを大きくすれば理論的には硬くなると理解できる．共有結合性結晶は圧縮強度が結合距離の3.5乗に反比例するとされ，SiCでも約10％の収縮でダイヤモンドに匹敵する．このことは，もし結合距離を一様に収縮できれば理論強度を超えられる可能性を示唆する．これを照射による格子位置交換の蓄積で実現できるのではないかということが私の「問い」である．本研究ではこの答えを，SiCマイクロピラーにイオン照射によってアンチサイトを導入し，その強度変化を追うことで明らかにすることを目指している．
本年度は，室温以下でSiC高結晶繊維（Hi-Nicalon Type SおよびTyranno SA繊維）をイオン照射し，原子の拡散がほとんどない状況でいかなる結晶構造変化が生じるか，また，それが強度にどのような影響を及ぼすかを調べることを目的とした．室温照射のため，水冷のホルダを開発し，また試料は純銅粉体に焼結により埋め込むなど工夫を施し，照射実験を実施した．照射後は，著しい変形を伴う体積膨張が認められ，それが結晶の非晶質化と不純物との混合により発生していることが明らかとなった．マイクロピラーの作製に当たって，繊維形状が維持されていないことから深さ方向にいかなる形状や組織変化が生じているのか調査している段階である．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

SiC/SiC複合材料に内包されるSiC繊維（Hi-Nicalon Type SおよびTyranno SA繊維）に対し，繊維束の長手方向と垂直な断面を研磨した．目的は室温以下での照射であったので，ビームヒーティングの熱除去のために，サンプルは純銅の粉体の中に埋め込んだ後に，ホットプレスで成型し，その後試料断面を切断，および機械研磨によって照射表面とした．照射はSIC換算で深さ方向の平均で100dpaに達するまで実施した．照射後の表面は著しく変形しており，激しい体積変化と形状変化が起こっていることが明確であった．それをよく調べるため，断面を集束イオンビーム加工装置にて採取し透過電子顕微鏡観察を行っている状況である．

Strategy for Future Research Activity

今回の照射試料は著しい体積膨張を示したと考えられるが，マイクロピラー圧縮試験により強度測定を実施すれば結合距離の平均的な増大と強度との関係が明らかになると考えているため，そのまま実施する．また，非晶質化が起こらない300℃以上では（しかも空孔集合体が形成されない）収縮の発生が予想されており，平均結合距離が小さくなる場合の強度評価ができる可能性がある．そこで，来年度は300℃以上の照射と強度評価を実施する．

Causes of Carryover

本年度は装置使用料として想定していた実験を、別の使用料の設定されていない装置を用いて実施することが可能であったため装置使用料が不要であったため、次年度に当初の予定以上に試料加工を進めるべく実験計画を追加し、次年度使用額が生じた。