ナノ窒化ケイ素材料の高速超塑性成形

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14350348
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 若井 史博 東京工業大学, 応用セラミックス研究所, 教授 (30293062)
• 研究分担者: 篠田 豊 東京工業大学, 応用セラミックス研究所, 助手 (30323843) ; 赤津 隆 東京工業大学, 応用セラミックス研究所, 講師 (40231807)
• キーワード: ナノ結晶材料 / 超塑性 / 窒化ケイ素

研究概要

1.ナノ結晶サイアロンの開発
平成15年度は、窒化ケイ素系材料の高速超塑性化を目指して、窒化ケイ素(Si_3N_4)のSiとN原子の一部をAlとOで置換した画溶体であるサイアロン(SiAlON)のナノ結晶材料を熱間静水圧成形(HIP)により開発した。酸素含有量の多い料粉末から製造したサイアロンは5MPaの応力で10^<-4>s^<-1>のひずみ速度で変形した。同じ応力で比較すると、窒化ケイ素に比べて、サイアロンでは10から100倍に及ぶ変形の高速化が実現できた。サイアロンは低応力側では応力指数が1であり、高応力側で応力指数が0.5に変化するShear thickening挙動を示した。ひずみ速度と、応力指数が遷移する応力は原料として用いた窒化ケイ素粉末の酸素含有量に依存し、酸素含有量が多いほどひずみ速度は高速となり、また、遷移応力は低下した。応力指数の遷移する遷移応力は粒界に存在する薄い液相膜が圧縮応力を支えることのできる能力に依存すると考えられる。しかし、Y-Si-Al-O-N系ガラスのHamaker定数より計算した臨界応力は、観察された遷移し、応力よりもはるかに大きく、Shear thickening機構の再検討をする必要のあることが明らかとなった。
2.窒化ケイ素の高速超塑性化
窒化ケイ素材料の高速超塑性を探索するためのモデル材料として、前年度は熱間静水圧成形(HIP)により、Y_2O_3-Al_2O_3-SiO_2系の粒界ガラス相を含む緻密な微細粒窒化ケイ素を開発した。本年度は、粒界ガラス相の粘性係数の実測値をもとに、変形速度とガラス相の粘性係数の関係について検討した。ガラス相の粘性係数は、Y_2O_3/Al_2O_3比、SiO_2/Al_2O_3比の低下とともに、著しく低下した。同様に高温変形の流動応力もY_2O_3/Al_2O_3比、SiO_2/Al_2O_3比の低下とともに低下するが、その程度は軽微であり、粒界ガラス相の粘性係数と比例するわけではなかった。この理由は窒化ケイ素の粒界ガラス相は窒素原子が溶解したオキシナイトライドガラスになっており、また、ガラス相の一部結晶化のため、化学組成が変化しているためであろうと推測された。

研究成果

• [文献書誌] F.Wakai, F.Aldinger: "Equilibrium Configuration of Particles in Sintering Under Constraint"Acta materialia. 51. 641-652 (2003)
• [文献書誌] F.Wakai, F.Aldinger: "Sintering through surface motion by the difference in mean curvature"Acta materialia. 51. 4013-4024 (2003)
• [文献書誌] F.Wakai et al.: "Compressive Deformation of Partially Crystallized Amorphous Si-B-C-N Ceramics at Elevated Temperatures"Materials Transactions. 44. 226-231 (2003)
• [文献書誌] F.Wakai et al.: "Compressive deformation of Precursor Derived Si-C-N Ceramics at Elevated Temperatures"Materials Transactions. 44. 794-797 (2003)
• [文献書誌] F.Wakai et al.: "Dynamic Evolution of Grain-Boundary Films in Liquid-Phase-Shintered Ultrafine Silicon Carbide Material"J.Am.Ceram.Soc.. 86. 1753-1760 (2003)
• [文献書誌] 若井史博, 赤津隆, 篠田豊: "超塑性の粒界ネットワーク・ダイナミクス"セラミックス. 38. 123-128 (2003)