ナノスケール変態強化を発現する新奇高靭性セラミックスの開発

• 研究課題/領域番号: 15K21768
• 研究種目: 国際共同研究加速基金(帰国発展研究)
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 無機材料・物性
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 西山 宣正 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 特任准教授 (10452682)
• 研究分担者: 若井 史博 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 教授 (30293062) ; 増野 敦信 弘前大学, 理工学研究科, 准教授 (00378879)
• 研究期間 (年度): 2016 – 2017
• 研究課題ステータス: 完了 (2017年度)
• 配分額: 57,070千円 (直接経費: 43,900千円、間接経費: 13,170千円)
• キーワード: 変態強化 / 破壊誘起アモルファス化 / ペロブスカイト型MgSi03多結晶体 / 変態塑性 / 立方晶窒化ケイ素 / 透明多結晶体 / 超硬質材料 / 高温高圧合成 / ナノセラミックス / 高靭性 / 透明セラミックス / 窒化ケイ素 / 耐熱性 / セラミックス / 高圧合成 / ナノ組織制御

研究実績の概要

本研究ではナノスケール変態強化を発現する新奇セラミックス物質の開発を目的に研究を行った。その結果、2つの大きな研究成果を得ることができた。一つ目は、破壊誘起アモルファス化による変態強化を発現する物質としてペロブスカイト型MgSiO3多結晶体を見出した。この物質はある意味非常にありふれた物質で、地球の深さ670km以深、地球の岩石部分の底(深さ2900km)までの最主要鉱物である。この地球の体積の約8割を占め地球そのものと言ってもいい物質を、一気圧下で構造用セラミックスとして使用すると変態強化、変態塑性を示し、とても割れにくいセラミックスであることを見出した。この成果はとても重要なので、現在も補足データを収集しており万全の状態で論文投稿する予定である。2つ目は、立方晶窒化ケイ素・透明多結晶体の合成に成功した。これは割れにくいセラミックスを創り出すつもりで取り組んだ研究だが、予期せず、全物質の中で3番目に硬く高い透明性を示す物質の合成に成功した。さらにこの物質は他の超硬質材料とは異なる特性も有しており、超硬質材料をこれまでとは違った用途で産業利用する可能性を開く物質になるかもしれない。発表した論文は世界中のメディアで取り上げられた。

研究成果

• [国際共同研究] DESY/キール大学/バイロイト大学(ドイツ)
• [国際共同研究] 南カリフォルニア大(米国)
• [国際共同研究] 燕山大学(中国)
• [国際共同研究] ドイツ電子シンクロトロン/バイロイト大学(ドイツ)
• [国際共同研究] 南カリフォルニア大学(米国)
• [雑誌論文] Thermal expansion of coesite determined by synchrotron powder X-raydiffraction (2018)
  • 著者名/発表者名: Eleonora Kulik, Vadim Murzin, Shogo Kawaguchi, Norimasa Nishiyama, Tomoo Katsura
  • 雑誌名: Physics and Chemistry of Minerals 巻: 45 号: 9 ページ: 1-9
  • DOI: 10.1007/s00269-018-0969-7
  • 説明: 印刷中
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Transparent polycrystalline nanoceramics consisting of triclinic Al2SiO5 kyanite and Al2O3 corundum (2017)
  • 著者名/発表者名: Gaida Nico A.、Nishiyama Norimasa、Masuno Atsunobu、Sch?rmann Ulrich、Giehl Christopher、Beermann Oliver、Ohfuji Hiroaki、Bednarcik Jozef、Kulik Eleonora、Holzheid Astrid、Irifune Tetsuo、Kienle Lorenz
  • 雑誌名: Journal of the American Ceramic Society 巻: 101 号: 3 ページ: 998-1003
  • DOI: 10.1111/jace.15281
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Evaluation of effects of crack deflection and grain bridging on toughening of nanocrystalline SiO 2 stishovite (2017)
  • 著者名/発表者名: Yoshida Kimiko、Nishiyama Norimasa、Shinoda Yutaka、Akatsu Takashi、Wakai Fumihiro
  • 雑誌名: Journal of the European Ceramic Society 巻: 37 号: 15 ページ: 5113-5117
  • DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2017.06.047
  • 査読あり
• [雑誌論文] Picosecond amorphization of SiO2 stishovite under tension (2017)
  • 著者名/発表者名: Misawa Masaaki、Ryuo Emina、Yoshida Kimiko、Kalia Rajiv K.、Nakano Aiichiro、Nishiyama Norimasa、Shimojo Fuyuki、Vashishta Priya、Wakai Fumihiro
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 3 号: 5 ページ: 1-7
  • DOI: 10.1126/sciadv.1602339
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Transparent polycrystalline cubic silicon nitride. (2017)
  • 著者名/発表者名: N. Nishiyama, R. Ishikawa, H. Ohfuji, H. Marquardt, A. Kurnosov, T. Taniguchi, B.-N. Kim, H. Yoshida, A. Masuno, J. Bednarcik, E. Kulik, Y. Ikuhara, F. Wakai, T. Irifune
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 7 号: 1 ページ: 44755-44755
  • DOI: 10.1038/srep44755
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Strength and toughness of nano crystalline SiO2 stishovite toughened by fracture-induced amorphization (2017)
  • 著者名/発表者名: Kimiko Yoshida, Norimasa Nishiyama, Masato Sone, Fumihiro Wakai
  • 雑誌名: Acta Materializa 巻: 124 ページ: 316-324
  • DOI: 10.1016/j.actamat.2016.11.014
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Synthesis of Al2O3/SiO2 nano-nano composite ceramics under high pressure and its inverse Hall-Petch behavior (2017)
  • 著者名/発表者名: Gaida, N.A., Nishiyama, N., Masuno, A., Holzheid, A., Ohfuji, H., Schurmann, U., Szillus, C., Kulik, E., Bednarcik, J., Beermann, O., Giehl, C. and Kienle, L.
  • 雑誌名: J. Am. Ceram. Soc. 巻: 100 号: 1 ページ: 323-332
  • DOI: 10.1111/jace.14551
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Transparent polycrystalline cubic silicon nitride and its physical properties (2018)
  • 著者名/発表者名: N. Nishiyama, R. Ishikawa, H. Ohfuji, T. Taniguchi, F. Wakai
  • 学会等名: 6th International Symposium on Advanced Ceramics (ISAC-6)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 割れにくいシリカと透明なシリコンナイトライド (2018)
  • 著者名/発表者名: 西山 宣正
  • 学会等名: 第10回ナノ物質集積複合化技術研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Exploration of super-hard material : laser-shock compression of transparent nanocrystalline high-pressure phases (2017)
  • 著者名/発表者名: Norimasa Nishiyama
  • 学会等名: Mini-workshop on high energy density science with XFELs
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Ultra high pressure sintering and synthesis of transparent polycrystalline cubic silicon nitride (2017)
  • 著者名/発表者名: N. Nishiyama, R. Ishikawa, H. Ohfuji, H. Marquardt, T. Taniguchi, B. Kim, A. Masuno, Y. Ikuhara, F. Wakai, T. Irifune
  • 学会等名: International Conference on Sintering 2017
  • 国際学会
• [学会発表] スピネル型窒化ケイ素・透明多結晶体の合成とその物性 (2017)
  • 著者名/発表者名: 西山宣正, 金谷航葵, 若井史博
  • 学会等名: 第58回高圧討論会
• [学会発表] Transformation toughening in silica and transparent polycrystalline cubic silicon nitride (2017)
  • 著者名/発表者名: Norimasa Nishiyama
  • 学会等名: 3rd International Symposium on Metastable Materials Science & Technology
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 立方晶窒化ケイ素の透明多結晶体の高温高圧下における焼結 (2017)
  • 著者名/発表者名: 西山 宣正
  • 学会等名: 日本セラミックス協会 第30回秋季シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] A very tough hardest oxide : nanopolycrystalline Si02 stishovite (2017)
  • 著者名/発表者名: Norimasa Nishiyama
  • 学会等名: International Workshop on Giant Straining Process for Advanced Materials (GSAM2017)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] スピネル型窒化ケイ素透明多結晶体の合成とその物性 (2017)
  • 著者名/発表者名: 西山 宣正
  • 学会等名: 先進セラミックス第124委員会 第153回会議
  • 招待講演
• [学会発表] Transparent polycrystalline silicon nitride with spinel structure (2017)
  • 著者名/発表者名: Norimasa Nishiyama
  • 学会等名: 9th International Symposium on Nitrides (ISNT2017) & 5th International Symposium on SiAIONs and Non-oxides (ISSNOX5)
  • 国際学会
• [学会発表] Fabrication of Transparent polycrystalline Spinel-type Silicon Nitride and its Physical Properties (2017)
  • 著者名/発表者名: Norimasa Nishiyama
  • 学会等名: 10th International Conference in the Science and Technology for Advanced Ceramics (STAC-10)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Transparent polycrystalline spinel-type silicon nitride (2017)
  • 著者名/発表者名: Norimasa Nishiyama, Ryo Ishikawa, Hiroaki Ohfuji, Hauke Marquardt, Takashi Taniguchi, Byung-Nam Kim, Atsunobu Masuno, Takashi Taniguchi, Byung-Nam Kim, Yuichi Ikuhara, FUMIHIRO WAKAI, Tetsuo Irifune
  • 学会等名: PACRIM Symposium 19 : Transparent Ceramic Materials and Devices
  • 国際学会
• [備考] 東工大
  • URL: http://www.titech.ac.jp/news/2017/037704.html
• [備考] ドイツ電子シンクロトロン
  • URL: http://www.desy.de/news/news_search/index_eng.html?openDirectAnchor=1200
• [備考] 物質・材料研究機構
  • URL: http://www.nims.go.jp/news/press/2017/03/201703161.html
• [備考] 愛媛大学
  • URL: http://www.grc.ehime-u.ac.jp/archives/1972
• [備考] Yahoo Japanニュース
  • URL: https://headlines.yahoo.co.jp/hl?a=20170322-00000102-it_eetimes-sci
• [備考] EETimesJapan
  • URL: http://eetimes.jp/ee/articles/1703/22/news084.html
• [備考] マイナビニュース
  • URL: http://news.mynavi.jp/news/2017/03/17/388/
• [備考] 経済.biz
• [備考] 日経産業新聞、日刊工業新聞、科学新聞、河北新報など新聞報道多数。