Challenge to strengthen ceramics beyond theoretical strength by introducing lattice defects

通过引入晶格缺陷来强化陶瓷超出理论强度的挑战

基本信息

批准号：
21K04937
负责人：
近藤創介
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本来，IV-IV族化合物であるSiC結晶の硬さは共有結合強度に由来し，その本質は核間領域の電子軌道の重なりの大きさである．これは重なりを大きくすれば理論的には硬くなると理解できる．共有結合性結晶は圧縮強度が結合距離の3.5乗に反比例するとされ，SiCでも約10％の収縮でダイヤモンドに匹敵する．このことは，もし結合距離を一様に収縮できれば理論強度を超えられる可能性を示唆する．これを照射による格子位置交換の蓄積で実現できるのではないかということが本課題の「問い」である．本研究ではこの答えを，SiCマイクロピラーにイオン照射によってアンチサイトを導入し，その強度変化を追うことで明らかにすることを目指している．本年度は，室温以下でSiC高結晶繊維（Hi-Nicalon Type SおよびTyranno SA繊維）をイオン照射し，原子の拡散がほとんどない状況でいかなる結晶構造変化が生じるか，また，それが強度にどのような影響を及ぼすかを調べることを目的とした．室温照射のため開発した水冷ホルダ上で照射した試料は，著しい変形を伴う体積膨張が認められそれが結晶の非晶質化と不純物との混合により発生した．この試料からマイクロピラーを作製し，強度特性変化を調査したところ，非晶質化に伴って強度が低下しているにもかかわらずヤング率の低下と伸びが著しく増加していることがわかった．これは，アンチサイトの導入によって強度が増加するという予想には反するがおそらく結晶構造を失ったことが原因と考えられる．結晶構造を維持したままアンチサイトを導入する照射条件を調査する必要がある．

SIC晶体的硬度是IV-IV组化合物，最初来自共价键强度，其本质是电子轨道核轨道区域内核区域重叠的大小。如果重叠增加，这可以理解为理论上变得更硬。共价晶体的抗压强度据说与粘结距离的功率成反比，甚至SIC收缩约10％，使其与钻石相当。这表明，如果键合距离均匀签约，则可以超过理论强度。这个问题的问题是，由于辐射而导致的晶格位置交换是否可以实现这一目标。这项研究旨在通过通过离子照射并跟踪强度变化将抗位置引入SIC微柱中来阐明这一答案。今年，目的是用SIC高晶体纤维（hi-Nicalon型和Tyranno SA纤维）辐射离子以下，以调查当原子几乎不扩散时晶体结构的变化，以及这将如何影响强度。用于室温辐照的水冷架上的样品显示体积膨胀，并具有明显的变形，这是由无定形晶体产生的，并与杂质混合。从该样品中制备了微柱，并研究了强度特征的变化，并发现尽管由于无定形而降低了强度，但Young的模量和伸长率显着增加。这与预测抗位点会增加强度的预测相反，但可能是由于晶体结构的丧失所致。有必要研究在维持晶体结构时引入抗位置的辐射条件。