1: 2015/06/21(日) 21:31:35.67 ID:???.net
硬さと割れにくさ両立したセラミックス実現に道―わずかな亀裂進展で靭性が急激に増すことを発見― | 東工大ニュース | 東京工業大学
http://www.titech.ac.jp/news/2015/031545.html

画像
http://www.titech.ac.jp/news/img/n000879_wakai_fig1.jpg
図1. ビッカース硬度と破壊靱性の関係
http://www.titech.ac.jp/news/img/n000879_wakai_fig2.jpg
図2(b). 破壊抵抗と亀裂進展長さとの関係
http://www.titech.ac.jp/news/img/n000879_wakai_fig4.jpg
図3. 破壊誘起アモルファス化による亀裂進展抵抗の増加
http://www.titech.ac.jp/news/img/n000879_wakai_fig5.jpg
図4. 二酸化ケイ素の結晶構造


(前略)


背景

砂や岩石の主成分である二酸化ケイ素(シリカ、SiO2)はありふれた物質であり、石英(水晶)やシリカガラスとして利用されているが、脆く、割れやすいという欠点がある。シリカの高圧相であるスティショバイトは酸化物の中で最も硬く、ダイヤモンドと立方晶窒化ホウ素(c-BN)に次ぐ硬さをもつ優れた材料である。だが、その単結晶は石英やシリカガラスと同様に割れやすいものであった。

2012年に西山博士は愛媛大学地球深部ダイナミクス研究センター(GRC、入舩徹男 センター長=愛媛大学教授)で、ナノ多結晶スティショバイトの合成に成功し、割れにくさの指標である破壊靭性が10~13 MPa・m1/2[用語3]とセラミックスの中で最も高い値をもつ材料であることを発見した。

図1に示すとおりセラミックスは一般的に硬いものほど割れやすい傾向があるが、ナノ多結晶スティショバイトは硬さと割れにくさを併せもつセラミックスである。つまり、シリカという地球上にありふれている物質から優れた機能をもつセラミックスが合成でき、資源の制約のない持続可能社会に適した材料であるといえる。

ナノ多結晶スティショバイトの高い破壊靭性の起源は常圧で準安定なスティショバイトが亀裂先端の巨大な引張応力によって局所的に結晶相からアモルファス相に相変態する「破壊誘起アモルファス化」[用語4]と関連している。スティショバイトの破壊した表面には数十nm(ナノメートル)の厚さのアモルファス相が存在することがX線吸収端近傍構造(XANES[用語5])で観察されている。

破壊誘起アモルファス化はスティショバイト以外の多くの高圧相の物質でも起こりうるので、今後、類似の関連物質でさまざまな高靭性材料が発見され、高強度・高靭性セラミックスの開発が大きく
進むものと期待されている。しかし、なぜ強く、丈夫になるのかという理由は明らかになっていなかった。


研究成果

若井所長らの研究グループは、集束イオンビーム(FIB)により加工した微小試験片(図2(a))を用いて、ナノ多結晶スティショバイトの破壊に対する抵抗が亀裂進展とともにどのように増加するかを調べた。
ナノ多結晶スティショバイトの破壊抵抗はわずか1μmの亀裂進展で8 MPa・m1/2まで上昇し、その飽和値は10 MPa・m1/2近く、セラミックスの中でも高い破壊靭性をもつジルコニア(二酸化ジルコニウム)や窒化ケイ素よりもはるかに高かった(図2(b))。また、ナノ多結晶スティショバイトの亀裂進展にともなう破壊抵抗の初期増加率も極めて高かった。

ジルコニアの高い破壊靭性は、亀裂進展に伴って準安定相である正方晶相から単斜晶相への応力誘起変態がおこり、亀裂の周辺に相変態領域が形成されることが、その起源である。
破壊抵抗が飽和値に達するまでに亀裂が進まなければいけない距離は相変態領域の厚みに比例する(図3)。一方、二酸化ケイ素の低圧相である石英やクリストバライトではケイ素(Si)原子は4個の酸素原子に囲まれた4面体構造をとるが、高圧相であるスティショバイトではSi原子は6個の酸素原子に囲まれた8面体構造をとる(図4)。

破壊誘起アモルファス化によって、亀裂先端の高い引張応力によりスティショバイトがアモルファス化する際に100%近い大きな体積膨張が起こる。ナノ多結晶スティショバイトで破壊抵抗が飽和値に達するまでに進まなければならない距離が極めて短かったのはアモルファス化領域の厚みが数10nmと、ジルコニアの相変態領域の厚み数μmに比べてはるかに小さかったためである。

相変態強化が働くときには、相変態に伴う体積変化が大きいほど、また、アモルファス化領域が厚いほど、破壊抵抗の増加量は大きくなる。アモルファス化領域の厚みは薄いけれども、アモルファス化による体積変化率の高いことが、ナノ多結晶スティショバイトの優れた靭性の理由であることがわかった。


今後の展望

亀裂が1μm以下のわずかな距離を進むだけで破壊抵抗が上昇することが見出され、硬くて脆いセラミックスを丈夫にする新しい仕組みが存在することが明らかになった。この発見は微小試験片による破壊抵抗測定技術の進歩により初めて可能になった。この技術を応用して、複雑なナノ構造、サブミクロンスケールの構造をもつセラミックスやナノコンポジットに適用すれば、さまざまな未知の靭性強化機構が見出される可能性があり、高強度・高靭性セラミックスの研究開発に新たな飛躍と展開をもたらすと期待される。

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引用元: 【材料科学】硬さと割れにくさ両立したセラミックス実現に道 わずかな亀裂進展で靭性が急激に増すことを発見 東工大

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4: 2015/06/21(日) 21:36:28.80 ID:VFGwkwAh.net
日本で住友(スミ)ダイヤという、
ダイヤモンドの微粒子を焼き固めて作ったダイヤモンド材料があり、
それは、天然ダイヤに比べて方向性が無いので、丈夫だと思いましたね。

5: 2015/06/21(日) 21:41:27.80 ID:vwUP65uv.net
硬さと割れにくさと心強さと

14: 2015/06/21(日) 22:54:35.93 ID:aNHg/HWf.net
>>5
いつも感じている

8: 2015/06/21(日) 21:47:08.83 ID:kK5lroTV.net
万能じゃね

10: 2015/06/21(日) 22:02:47.87 ID:xIxn5te9.net
セラミックエンジン
リーンバーン

17: 2015/06/21(日) 23:53:49.48 ID:qFQwcAKP.net
>>10
それは無理 冷却の必要ないけど、吸入する空気も発熱するため
効率が、悪くなる

31: 2015/06/22(月) 06:36:14.20 ID:eU2nwHcS.net
>>17
普通の温度+αで回してもいいじゃん鉄アルミからの置き換え

11: 2015/06/21(日) 22:07:44.01 ID:Ia9lfmZJ.net
長い
1文字で頼む

23: 2015/06/22(月) 02:38:54.12 ID:N0KoxTkw.net
>>11

12: 2015/06/21(日) 22:25:23.14 ID:YaZZbNPu.net
アモルファスセラミックか
昔なら真っ先にスピーカーの振動板に使われてただろうにな

13: 2015/06/21(日) 22:50:53.34 ID:MKdt9wbx.net
冷却不要、潤滑も最小限で驚異の熱効率で内燃機関ができる?
それなら凄いけど、一度失敗してるからなあ~。

15: 2015/06/21(日) 23:21:13.31 ID:NQ5hQMLa.net
こういうのって廃棄出来るんかな。

16: 2015/06/21(日) 23:30:14.28 ID:33eK3Fb/.net
 
ということは、ガンダニウムまであと1歩まで来たってことだな

18: 2015/06/22(月) 00:01:59.85 ID:brFdhBCZ.net
ついに王蟲の殻より柔らかい超硬質セラミックが作れるようになるわけだな

21: 2015/06/22(月) 00:49:17.99 ID:9FeKCJW6.net
強化ガラスみたいに尖ったものでつつくと粉々に粉砕するとか

24: 2015/06/22(月) 02:54:42.25 ID:bzqkJLXT.net
そのうちジャパネットで最強の包丁とか言って売るわけだ

26: 2015/06/22(月) 03:28:58.93 ID:TWuVpv72.net
>>24
日本直販でスッパスパ!

25: 2015/06/22(月) 03:23:04.16 ID:QEKhroDq.net
これを刀にしたら、鉄の刀をスパスパ切れる魔刀が出来そうだな。

37: 2015/06/22(月) 10:16:13.88 ID:XMGxh/rq.net
硬さと割れにくさは、分かったが耐久温度書いてないな

41: 2015/06/22(月) 20:52:58.21 ID:aVbvlesA.net
無敵のお茶碗とか一生ものすぎて選ぶの三日はかかるわ

43: 2015/06/22(月) 23:12:58.68 ID:QBRwhDJ4.net
アルミの酸化膜みたいに何もしなくてもアモルファス化すればいいのにな

44: 2015/06/23(火) 00:33:18.21 ID:Hkbjijrw.net
CFRPでも実現してほしい。航空機用として使えるのではないか。
今のものはちょっと危ない。

45: 2015/06/23(火) 02:43:55.39 ID:oMMMtW3Y.net
ふと思い浮かんだがCNT強化ガラスとか面白そう

47: 2015/06/23(火) 09:17:30.72 ID:MTBVSUv7.net
10式戦車の増加装甲にぜひ。

48: 2015/06/23(火) 09:33:59.98 ID:NVKRadlB.net
普通にサファイアガラスの代替商品になるんじゃない

50: 2015/06/23(火) 13:30:27.16 ID:658p89nT.net
ムスカ「この体が金属なのか粘土なのか、それすら我々の科学力ではわからないのだ」

高度なセラミックスは未来にロストテクノロジになる予定

53: 2015/06/23(火) 20:29:40.12 ID:+kFO0Gva.net
>>50
セラミックスのことなのね

51: 2015/06/23(火) 13:31:16.41 ID:oMMMtW3Y.net
例の超高圧実験装置で飴玉サイズだから何でもいけるわけじゃないね
ダイヤより大型化は楽だろうけど

33: 2015/06/22(月) 07:39:07.34 ID:+Zt7/cmF.net
うっかり落としても割れないお茶碗をたのむ