マルチプルクリスタルによるセラミックの粒界設計と粒界塑性

1999 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 11450260
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 幾原 雄一 東京大学, 大学院・工学系研究科, 助教授 (70192474)
• キーワード: マルチプルクりスタル / バイクリスタル / 粒界すべり / 高分解能電子顕微鏡法 / アルミナ / ジルコニア / 高温変形 / 粒界性格

研究概要

本年度はアルミナのマルチプルクリスタルの設計およびその作製を行った。また、作製されたマルチプルクリスタルの高温変形挙動の評価と微構造観察も合わせて行った。考案した粒界設計にしたがって、高精度に切り出したサファイヤブロックの各接合面に機械化学研磨を施し、三つの結晶ブロックを幾何学的に組み合わせて加熱接合することによって所定のマルチプルクリスタルを作製した。作製したマルチプルクリスタルは、二つの低エネルギー粒界と一つの高エネルギー粒界を有しており、構造セラミックスでは世界で初めて成功例となった。実際には、Σ3、Σ13の低エネルギー粒界とΣ39の高エネルギー粒界が含まれており、マルチプルクリスタル中で粒界三重線を形成している。次に粒界三重線近傍を中心に透過電子顕微鏡法で微構造を観察した結果、各粒界は原子レベルで接合していることが確認された。これらの粒界のサブナノプローブによる局所X線分析も行ったが、不純物などは検出されず、各結晶がクリーンな粒界結合を形成していることが判明した。さらに三つの粒界のうちΣ39高エネルギー粒界に最大せん断応力が負荷されるように、試料を高温圧縮試験機内に設定し、1400℃、20MPaの条件下でクリープ変形させた。この条件下において、マルチプルクリスタルの変形量は数十ミクロンであった。したがて、十分塑性変形が達成しているものと判断され、粒界三重線における応力緩和機構に興味がもたれる。今後、変形後のクリスタルの微構造観察を系統的に行い、高温塑性変形における粒界での応力緩和機構の本質を明かにする予定である。

研究成果

• [文献書誌] Y.Ikuhara: "High-Temperature Behavior of SiO2 at Grain Boundaries in TZP"Interface Science. 7. 77-84 (1999)
• [文献書誌] T.Watanabe: "Grain Boundary Energy and Atomic Structure in Alumind Bicrystals"Mater.Sci.Forum. 304-306. 601-606 (1999)
• [文献書誌] Y.Ikuhara: "Atomic Structure and Chemical Bonding State of Sapphire Bicrystals"Mater.Sci.Forum. 294-296. 273-276 (1999)
• [文献書誌] H.Yoshida: "A Critical Factor to Determine the High-Temperature Creep Resistance in Cation-Doped Polycrystalline Al 203"Key Eng.Mater.. 171〜174. 809-816 (2000)
• [文献書誌] H.Yoshida: "High-Temperature Deformation in Unidirectionally Solidified Eutectic Al203-YAG Single Crystal"Key Eng.Mater.. 171〜174. 855-862 (2000)
• [文献書誌] Y.Ikuhara: "Grain Boundary Structure and Sliding of Alumina Bicrystals"Proc.Mater.Res.Soc.. (2000)
• [文献書誌] 幾原雄一: "セラミック材料の物理"日刊工業新聞社. 343 (1999)