超塑性を示す超微細結晶粒材料の粒界原子構造の電子構造の研究

本研究は超塑性現象を「構造」の立場から追求解析し、設計の概念・手法を超塑性材料開発に導入することを目指した。具体的には、組織(構造)的共通項である"微細粒"を実現し、電子顕微鏡による組織構造観察、電子線回折による方位関係の分布、高分解能電子顕微鏡による原子構造観察及び電子エネルギー損失分光法(EELS)による電子構造の解析を、主として結晶粒界に関して行ない、特に超塑性困難な物質の超塑性材料化の方策を探る。対象は最も硬いことで知られるダイヤモンドとした。常識的には塑性変形すら非常に困難である。しかし、超微細結晶粒が得やすくEELS解析に適し、基礎研究に好適である。超微細粒多結晶ダイヤモンドは、改良型MOCVD法によって、作成した。組織は、μmレベルの結晶が更に数十ナノメートルの結晶粒よりなる二重構造をなす。粒界はΣ3CSLが最も多く、ランダム粒界は少ない。最大の特徴は、粒界中の3配位原子が、π結合によって周囲と結ばれていることにある。π結合の数は粒界の種類によって異なった。これは、グラファイトが滑りやすいことから想像できるように、σ結合とπ結合のバランスを、それぞれの粒界で案配することが出来れば、粒界滑りによる可塑ダイヤモンドが、不可能でないことを示唆する。この知見をもとに、最も小さな(薄い)炭素結晶であるカーボンナノチューブの電顕中その場変形を行ったところ、見事に塑性変形した。塑性変形は転位の移動によらず、sp3-πの中に、局所的にダイヤモンド型のsp3が出来て、これが移動することに依った。本研究により、可塑ダイヤモンドへの途が、僅かながら開けたと自負する。

本研究は超塑性現象を「構造」の立場から追求解析し、設計の概念・手法を超塑性材料開発に導入することを目指した。具体的には、組織(構造)的共通項である"微細粒"を実現し、電子顕微鏡による組織構造観察、電子線回折による方位関係の分布、高分解能電子顕微鏡による原子構造観察及び電子エネルギー損失分光法(EELS)による電子構造の解析を、主として結晶粒界に関して行ない、特に超塑性困難な物質の超塑性材料化の方策を探る。対象は最も硬いことで知られるダイヤモンドとした。常識的には塑性変形すら非常に困難である。しかし、超微細結晶粒が得やすくEELS解析に適し、基礎研究に好適である。超微細粒多結晶ダイヤモンドは、改良型MOCVD法によって、作成した。組織は、μmレベルの結晶が更に数十ナノメートルの結晶粒よりなる二重構造をなす。粒界はΣ3CSLが最も多く、ランダム粒界は少ない。最大の特徴は、粒界中の3配位原子が、π結合によって周囲と結ばれていることにある。π結合の数は粒界の種類によって異なった。これは、グラファイトが滑りやすいことから想像できるように、σ結合とπ結合のバランスを、それぞれの粒界で案配することが出来れば、粒界滑りによる可塑ダイヤモンドが、不可能でないことを示唆する。この知見をもとに、最も小さな(薄い)炭素結晶であるカーボンナノチューブの電顕中その場変形を行ったところ、見事に塑性変形した。塑性変形は転位の移動によらず、sp3-πの中に、局所的にダイヤモンド型のsp3が出来て、これが移動することに依った。本研究により、可塑ダイヤモンドへの途が、僅かながら開けたと自負する。