メタル・セラミックス界面の理論と機能設計に関する研究

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セラミックスの各種特性の改善のためには、結晶粒界の微視的構造や性質の原子・電子レベルでの理解が必要である。特にSiC等の共有結合セラミックスの粒界については電子構造の解明が不可欠である。そこで、β-SiC中のΣ=9{221}粒界に関し、セルフコンシステント強結合近似電子論により粒界エネルギ-、安定原子配列、界面電子構造の理論計算を行った。その結果、5員環、7員環の構造ユニットは安定に存在しうること、同種原子の結合が存在するため、粒界エネルギ-の大半をク-ロンエネルギ-が占めること、バンドギャップ中に深い準位が存在しないことが明らかになった。従って、SiCの場合ギャップ中の深い準位を持たない粒界の存在の可能性があると言える。また、セラミックスと金属の異相界面の微視的な理解のために、α-Al_2O_3(0001)面に4d遷移金属(Zr,Nb,Mo,Ru,Pd)が積層したモデル構造を想定し、界面の2次元バンド計算を強結合近似電子論により行った。但し、界面では表面酸素原子の非結合p軌道と遷移金属原子のd軌道との相互作用による共有結合と、イオン結合とを併せ持つ結合が生じていることが明らかになり、p-d混成の程度が原子レベルでの結合を支配していることが解った。更に、破壊の素過程の原子レベルでの取り扱いも重要であるため、β-SiC中のクラック進展の分子動力学法による計算機シミュレ-ションのプログラムを開発した。原子に作用する力は経験的多体原子間ポテンシャルを用いて求めている。本プログラムを用いれば、引っ張りと緩和を繰り返すことにより、クラック進展の全記録が得られる。