珪酸塩ガラスの静的及び動的圧縮によるナノ構造と物性の変化

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15340185
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 研究機関: 金沢大学
• 研究代表者: 奥野 正幸 金沢大学, 理学部, 教授 (40183032)
• 研究分担者: 阿藤 敏行 東北大学, 金属材料研究所, 助手 (40241567) ; 赤荻 正樹 学習院大学, 理学部, 教授 (30126560) ; 木原 國昭 金沢大学, 理学部, 教授 (70019503)
• キーワード: 珪酸塩ガラス / ナノ構造 / 静水圧 / 衝撃圧縮 / X線回折法 / 赤外分光法 / ラマン分光法

研究概要

本研究では、地殻・マントルで重要なSiO_2,NaAlSi_3O_8-CaAl_2Si_2O_8,CaSiO_3-MgSiO_3などの組成ガラスの高圧力下でのナノ構造や物性の変化を明らかにすることを目的としている。本年度は、SiO_2ガラス及びCaSiO_3-MgSiO_3組成のガラスを作成し、これらのガラスについてプレスによる高圧実験及び衝撃圧縮実験を行い、生成した高圧力ガラスについてそのナノ構造の変化を調べ以下のような成果を得た。
1、SiO_2ガラスについて、15GPaまでの静水圧での圧縮を行い、約28%の密度増加をを確認した。また、圧縮によりその硬度が増加することも認められた。さらに、7.5-10GPa以上で密度増加の割合が大きくなることを明らかにした。赤外分光分析及びX線解析の結果から、この密度増加は、非架橋酸素を持つSiO_4四面体のより小さなリング構造(3,4員環)が増加によることを明らかにした。
2、次に、CaSiO_3及びCaMgSi_2O_6組成のガラスを作成し、まず500℃で7.5GPaまで静水圧下で圧縮した。その結果、CaSiO_3ガラスはほぼ一定の割合で密度が増加するが、CaMgSi_3O_6ガラスでは5GPaから7.5GPaで急激に密度が増加し全体の増加率はCaSiO_3ガラスより大きかった。また、X線回折測定の結果から、CaMgSi_3O_6ガラスでは5GPaから7.5GPaにかけてFSDPの位置の高角度側への大きなシフトが認められ、密度の増加はSiO_4四面体のより小さなリング構造(3、4員環)の増加が原因と考えられた。
3、CaSiO_3及びCaMgSi_2O_6ガラスについて、さらに40.0GPaまでの衝撃圧縮を行った。その結果、SiO_2ガラスなどのテクト珪酸塩ガラスと異なりCaSiO_3及びCaMgSi_3O_6組成のメタ珪酸塩ガラスでは、衝撃圧縮による密度増加はほとんど観察されず、構造の大きな変化も認められなかった。

研究成果

• [文献書誌] 下田景士, 奥野正幸, 福岡清人, 阿藤敏行, 菊地昌枝: "CaSiO_3-MgSiO_3系ガラスの衝撃圧縮"東北大学金属材料研究所 研究部共同研究報告. 112-113 (2003)
• [文献書誌] 奥野正幸, 下田景士, 福岡清人, 阿藤敏行, 菊地昌枝: "SiO_2-GeO_2系ガラスの衝撃圧縮"東北大学金属材料研究所 新素材設計開発施設 共同利用研究報告書. 5-6 (2003)
• [文献書誌] Y.Murakami, J.H.Yoo, D.Shindo, T.Atou.M.Kikuchi: "Magnetization distribution in the mixed phase state of hole-doped manganites"Nature. 423. 965 (2003)
• [文献書誌] T.Sugawara, M.Akaogi: "Heats of mixing of silicate liquid in the sytem diopside-anorthite-akermanite, diopside-anorthite-forsterite and diopside-silica"American Mineralogist. 88. 1020-1024 (2003)
• [文献書誌] M.Okuno, N.Zotov, M.Schmucker, H.Schneider: "Structure of SiO_2-Al_2O_3 glasses : Combiened X-ray diffraction, IR and Raman studies"J.Non-Crystalline Solids. (印刷中). (2004)