粒界電子構造制御による高温用セラミックスの開発

2000 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 11355028
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 佐久間 健人 東京大学, 大学院・新領域創成科学研究科, 教授 (50005500)
• 研究分担者: 棚瀬 照義 三菱マテリアル(株), 総合研究所, 室長(研究職)
• キーワード: アルミナ / セラミックス / クリープ / 耐熱性 / 粒界微細構造 / 分子軌道計算

研究概要

種々のドーパントを添加したAl_2O_3をはじめとする酸化物系セラミックス多結晶体を作製し、高温機械的特性を高温圧縮ならびに引張り試験により検証した。その結果、Al_2O_3系セラミックス耐熱性改善には,イオン化数3価を取るランタノイド元素の微量添加が有効であり、4価や2価を取るドーパントは必ずしも特性向上に寄与しないことを見出した。一方、高分解能電子顕微鏡に付属の電子エネルギー損失分光法(EELS)を利用して、粒界に於ける量子構造の解析を試みた。その結果、ドーパントの粒界偏析に伴うAl^<3+>イオン周辺の原子間化学結合状態の変化を検出することに成功した。さらに粒界電子構造を調べるためにDV-Xα法による第一原理に基づく分子軌道計算を行ったところ、EELSで測定された化学結合状態の変化は、ドーパント偏析に伴う状態密度(DOS)の変化により説明された。この化学結合状態の変化は,粒界に於ける陽イオン-陰イオン間の電子状態の変化に起因するものであり、イオン間に働くクーロン力等の化学結合力の上昇を伴うことが判明した。この解析手法は、種々のドーパントに対しても適用でき、例えば空孔の効果を検証することも可能である。以上の研究成果は、Al_2O_3に代表される酸化物系セラミックスの耐熱性というマクロな現象を粒界量子構造と密接に関連づけるものであり、高温用セラミックス開発の理論的指針を得る上で極めて重要な知見である。

研究成果

• [文献書誌] H.Yoshida,Y.Ikuhara and T.Sakuma: "Role of grain boundary segregation on high-temperature creep resistance in polycrystalline Al2O3"Ceram.Trans.,. (in press).
• [文献書誌] T.Watanabe,H.Yoshida,T.Yamamoto,Y.Ikuhara and T.Sakuma: "Atomic structures and properties of symmetric[0001]tilt grain boundaries in alumina"Ceram.Trans.,. (in press).
• [文献書誌] H.Yoshida,Y.Ikuhara and T.Sakuma: "Vacancy effect of dopant cation on the high-temperature creep resistance in polycrystalline Al2O3"Mater.Sci.Eng.,. (in press).
• [文献書誌] Y.Ikuhara,H.Yoshida and T.Sakuma: "Impurity effect on grain boundary strength in structural ceramics"Mater.Sci.Eng.,. (in press).
• [文献書誌] G.D.Zhan,M.Mitomo,Y.Ikuhara and T.Sakuma: "Effects of microstructure on superplastic behavior and deformation mechanisms in β-silicon nitride ceramics"J.Am.Ceram.Soc.,. (in press).
• [文献書誌] G.D.Zhan,M.Mitomo,Y.Ikuhara and T.Sakuma: "High-resolution electron microscopy observation of grain boundary films in superplastically deformed silicon nitride"J.Mater.Res.,. (in press).