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．

本来，SiC晶体属于IV-IV族化合物，其硬度来源于共价键的强度，其本质在于核间区电子轨道的重叠程度。这可以理解为理论上，重叠越大，就越难。据说共价晶体的抗压强度与键距的3.5次方成反比，甚至SiC也有约10%的收缩率，与金刚石相当。这表明，如果可以均匀地减小键长，则有可能超过理论强度。该项目的“问题”是这是否可以通过累积辐照引起的晶格位置交换来实现。在本研究中，我们旨在通过离子辐照将反位点引入SiC微柱并跟踪其强度的变化来找到这个问题的答案。今年，我们将在低于室温的温度下对SiC高结晶纤维（Hi-Nicalon Type S和Tyranno SA纤维）进行离子辐照，研究在几乎没有原子扩散的情况下晶体结构会发生什么变化，以及如何发生变化。这是否会影响强度。在为室温照射而开发的水冷支架上照射的样品中，观察到伴随着显着变形的体积膨胀，这是由晶体非晶化和混入杂质引起的。当我们用该样品制造微柱并研究强度性能的变化时，我们发现虽然强度由于非晶化而下降，但杨氏模量下降并且伸长率显着增加。这与由于引入反位点而强度增加的预测相反，但这可能是由于晶体结构的损失。有必要研究在保持晶体结构的同时引入反位点的辐照条件。