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石英

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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。

詳細・続きはソースで

ダウンロード (2)
 

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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1: 2014/10/21(火) 15:39:17.23 ID:???.net
日立製作所は、熱や放射線に強い石英ガラスに、ブルーレイディスクなみの密度でデータを書き込む技術を京都大と共同で開発し、20日発表した。「約1千年」とされるブルーレイディスクを大幅に上回る3億年もデータを保存できるといい、公文書や文化遺産などの長期保存に向く。
メッセージを書き込んだ試作チップを乗せた人工衛星が、11月に打ち上げられる。

レーザーを細く絞って石英ガラスにごく短時間照射すると、内部に1千分の1ミリほどの小さな泡ができる。
これをデジタルデータの単位とし、泡を1千分の3ミリほどのピッチで平面に並べ、0・06ミリ間隔で100層分、重ねた。約2・5センチ角で厚さ8ミリの石英ガラスに約1・5ギガバイトを記録できた。
1千度の熱を2時間加えてもデータは保持できた。

読み出しには光学顕微鏡を使う。焦点を合わせ、一層ずつ読み取ることができる。
文字や写真をイメージとしても記録できるので、動画などのデジタルデータを、再生方法を説明する文字とともに保存できる。
http://www.asahi.com/articles/ASGBN66XNGBNULBJ019.html


画像
石英ガラスを使った記憶素子
http://www.asahicom.jp/articles/images/AS20141020004277_comm.jpg
「しんえん2」に積まれる石英ガラスのチップ=鹿児島大・西尾正則教授提供
http://www.asahicom.jp/articles/images/AS20141020004275_comm.jpg

日立製作所プレスリリース:
石英ガラスの内部にブルーレイディスク並みの記録密度でデジタルデータの記録・再生に成功
100層記録による大容量化と3億年のデータ保存寿命の両立が可能に
http://www.hitachi.co.jp/New/cnews/month/2014/10/1020a.html

引用元: 【光ストレージ】石英ガラスにデータ記録、3億年保存可 日立と京大開発

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