【研究分野】金属物性・材料

【研究領域課題番号】15K20959 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

粒界 / 破壊 / セラミックス / ドーパント / 透過型電子顕微鏡 / その場j観察 / TEM / その場観察 / 透過型電子顕微鏡（TEM）

【研究成果の概要】

α-Al2O3中の小傾角粒界に種々の元素を添加し、粒界原子構造をTEMにより解析した。粒界には転位が配列しており、添加元素は転位の引張ひずみ領域に選択的に偏析することが明らかとなった。また、偏析分布は元素のイオン価に相関が見られたことから、イオン性結晶における偏析現象は弾性的相互作用に加え電気的相互作用に強く依存することが示唆された。
高精度TEMその場機械試験の実現を目指し、駆動機構を有するMEMSデバイスを設計し性能評価を行った。また、本デバイスに用いる微小試料片の作製方法を検討した。デバイス性能は良好であったが、試料作製方法についてはさらなる改善を要することが明らかとなった。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)

【研究分野】構造・機能材料

【研究領域課題番号】22246088 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

強度 / 靭性 / 破壊 / 疲労 / クリープ / 応力腐食割れ / 超塑性 / 摩耗 / その場観察 / TEM / ドメイン / 電子顕微鏡法 / セラミックス / 破壊・変形 / 粒界・界面 / 転位 / 原子配列

【研究成果の概要】

実際に材料を使用する外的な刺激の下における構造および特性の相関性を明らかにすることが実用材料の本当の構造-特性の相関性を理解することにつながる.本研究プロジェクトでは,外的な刺激を加えながら観察を行うその場電子顕微鏡法の開発およびその材料への応用を目的 として研究を行った.応力を加えた際のセラミックス中の転位の運動・双晶界面の形成などを 直接観察した他,圧電材料でのドメイン移動を直接観察することに成功したなどの成果が得ら れた.

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2010 - 2012

【配分額】46,800千円 (直接経費: 36,000千円、間接経費: 10,800千円)

【研究分野】無機材料・物性

【研究領域課題番号】11650694 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

フラクトエミッション / 光子放出 / 電子放出 / 破壊 / セラミックス / マグネシア / エネルギー分布 / アルミナ / MgO / Al_2O_3

【研究成果の概要】

セラミックスおよびそれらの単結晶の破壊に伴うフォトンエミッションとエレクトロンエミッションについて検討し,破壊の素過程について考察した.以下の結論が得られた.
(1)ノッチ入り試験片の3点曲げ試験行い,放出されたフォトンおよび電子の同時計測を行った.
(2)フォトンエミッションのピークカウントは材料の種類に依存して大きく変化したが,その順番を材料の特性からうまく説明することはできなかった.
(3)多結晶マグネシアと多結晶アルミナにおいて,フォトンエミッションのトータルカウントは粒径の影響を強く受けた.これは,粒径の変化に伴って亀裂進展経路が変化したためであった.
(4)単結晶マグネシアと単結晶アルミナでは,フォトンエミッションの結晶方位依存性が認められた.
(5)放出されるフォトンの波長分布を測定した結果,破壊した瞬間に紫外光あるいは紫色光が放出され,その後,赤外光あるいは赤色光がしばらく放出されることがわかった.これより,フォトンエミッションの放出メカニズムを提案した.
(6)フォトンと電子の同時計測を行った結果,破壊した瞬間に電子もピークカウントを示すことがわかった.また,電子については,荷重を負荷した段階から,放出が始まり,マイクロクラッキングなどの微視的破壊が起こっていることが検出できた.

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】1999 - 2001

【配分額】3,500千円 (直接経費: 3,500千円)

【研究分野】複合材料・物性

【研究領域課題番号】09650749 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

金属基複合材料 / 透過電子顕微鏡 / 走査型電子顕微鏡 / 破壊 / 変形 / 界面 / 機械的性質 / 構造材料 / マグネシウム合金 / コンポキャスト法 / 金属複合材料 / アルミニウム合金 / セラミックス / 複合材料

【研究成果の概要】

本研究では、スクイズキャスト法、半溶融および溶融攪拌法、ホットプレス法を用いて複合材料を作製した。強化材料として主に、SiC,Al_<18>B_4O_<33>,TiO_2の粒子、ウイスカ、繊維を用い、マトリックスとしてアルミニウム合金、マグネシウム合金およびチタン合金を用いた。これらの複合材料の機械的性質を明らかにし、その発現原因と走査型電子顕微鏡および透過電子顕微鏡による微細組織、変形・破壊組織の観察により明らかにした。また、ホットプレスで作製したニオブとMoSi_2の積層複合材料についても検討を行った。複合材料の機械的性質を決定する要因は、強化材の劣化、セラミックス/マトリックス界面の構造変化、マトリックスの組織の変化に依存する。特に、本研究では、界面に注目し、界面構造および変形、破壊組織を原子的レベルまで分析し、その界面反応が変形、破壊に与える影響を明らかにした。また、界面制御手法を考案することにより、機械的性質の優れた複合材料の設計指針を示した。更に、繊維系複合材料ではクリープ破断寿命を、繊維の耐荷能の時間変化を考慮した確率モデルにより、破断寿命を予測した。
具体的成果として、TiO_2表面への熱化学的ドーピングによる複合材料の強化熱処理温度の低下、Al_<18>B_4O_<33>ウイスカ表面への均一なスピネル層の形成によるマトリックス合金との直接反応の阻止による高温安定性の向上を図ることができた。また、MoSi_2中に添加物を入れることによりNbとMoSi_2の界面反応を制御し、破壊靭性の優れた積層複合材料を製造することができた。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】1997 - 1999

【配分額】3,600千円 (直接経費: 3,600千円)

【研究分野】複合材料・物性

【研究領域課題番号】05302049 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

セラミックス / 強度 / 破壊靭性 / ハイブリッド型複合材料 / ナノ粒子分散複合材料 / 微細構造制御 / フェイルセーフ / ナノコンポジット / ハイブリッド複合材料 / 破壊 / 破壊靱性 / 力学的特性

【研究成果の概要】

セラミックスの強度、破壊靭性を目指した微細構造の制御には粒子分散による複合化が有効な方法であり、最近セラミックスの力学的特性の向上を目指したナノ粒子分散によるナノ複合材料に関する研究が進められている。今年度は、3種類のアルミナセラミックス基ハイブリッド型のナノ粒子分散によるナノ複合材料について、分散相のナノ化のメカニズムやナノ粒子の粒内分散による微細構造の制御効果を検討した。
(1)Al_2O_3/5vol%SiCナノ粒子分散複合材料:
微粒子のSiCはアルミナの粒内に存在するのに対し、より大きいSiCはアルミナの粒界に存在した。また、ナノ分散化過程はマトリックスの緻密化の程度と密接な関係があり、焼結が進むにつれてアルミナ粒界の移動によってアルミナの粒径が安定な大きさになり、分散SiCは粒内気孔のようにマトリックス内部に取り込まれていることがわかった。ナノ粒子分散により、強度、破壊靭性ともに向上した。
(2)Al_2O_3/SiC/YAGハイブリッド複合材料:
ミクロンサイズのYAG粒子とナノサイズのSiC粒子からなる等軸構造のAl_2O_3/SiC/YAGハイブリッド複合材料を製造することに成功した。アルミナの粒成長は抑制され、均質な微細構造が達成され、これにより力学的特性の向上が達成された。
(3)Al_2O_3/LaAl_<11>O_<18>複合材料:
繊維状に細長い強化相をもつ複合材料を製造した。強度、破壊靭性ともに強化相の体積含有率の増加とともに増加した。とくに破壊靭性は強化相のアスペクト比の増加とともに増加した。強化相による架橋およびクラックの偏向が高靭性化に寄与している。

【研究種目】総合研究(A)

【研究期間】1993 - 1995

【配分額】21,900千円 (直接経費: 21,900千円)