マイクロボイドの階層的形成制御 : 準結晶の場合

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Zn-Fe-Sc正20面体準結晶は2004年に発見された安定相である。この準結晶は約824℃で調和融解するので、ミリメートルサイズの単結晶の作製が容易である。また、直径1〜50μmのマイクロボイドが多数形成する。これらのボイドは、正20面体対称性を反映したhabit planeで囲まれた形状を有している。従って、液相から準結晶が形成する過程、およびさらなる徐冷の過程でボイドがどのように形成し、成長するかを研究するのに適したシステムである。本研究では、冷却速度および焼き入れ温度を系統的に変化させ、ボイド形状、密度、および空隙率の変化を調べた。また、原料のFe、Scに含まれている残留ガスがボイド形成に与える影響についても調べた。その結果を以下にまとめる。(1)ボイドの形は焼き入れ温度に依存する。焼き入れ温度が700℃以下の場合、正12面体形状のボイドが形成するのに対して、800℃では、複雑な面取りのボイドが多く形成する。(2)ボイドサイズは、冷却速度、焼き入れ温度に対して系統的に変化する。200K/hよりも速く冷却した場合には、平均半径は2μm以下であったが、それより遅い冷却では、焼き入温度が低い(600℃)場合に大きなボイドが形成した。しかし、平均半径は10μmを超えることはなかった。また、ボイド成長の活性化エネルギーは約3.1eVと見積もられた。これらの結果は、ボイド形成が、空孔または残留ガス原子、分子などの熱活性な移動により生じていることを示している。(3)最近の研究で、FeとScを予めアーク炉で合金化したものを材料として使って合金試料を作製すると、ボイド密度が10^4個/mm^3から10^3個/mm^3へ減少するという結果が得られた。これは原材料に含まれているガスの影響を示唆している。