ナノフラクトグラフィーに基づくセラミックスのき裂-微構造相互作用の解析

本研究は、これまでのセラミックスの破壊と先進セラミックスの微構造制御に関する研究成果を活かして、セラミックスの破面のナノ〜原子スケールの観察(ナノフラクトグラフィー)を行うことにより、粒内および粒界破壊靭性の発現メカニズムやセラミックスの疲労メカニズム等を明らかにすることを目的としたものである。本年度は、昨年度までの多結晶アルミナのナノフラクトグラフィー評価を、さらに深耕させるため、単結晶アルミナのへき開面のナノフラクトグラフィー評価を行った。また、微視的破壊である摩耗挙動に着目し、窒化ケイ素セラミックスの摩耗面のナノフラクトグラフィーも評価した。単結晶アルミナでは、マクロにへき開破壊した面であっても、SPM観察では1nm程度のステップが観察された。ステップの大きさは結晶面により異なっていた。これらの差異は、(0001)面上で生成する転位のバーガスベクトルと結晶面の幾何学的関係を考慮して説明することができた。すなわち、アルミナのへき開面には破壊に伴って生成したものと考えられる転位に関係した微視的ステップが多数存在することが明らかとなった。一方、窒化ケイ素セラミックスの摩耗面では、アブレッシブ摩耗に起因する比較的大きな摩耗痕の他に、粒界ガラス相が優先的に摩耗していく様子が観察された。従って、窒化ケイ素セラミックスの摩耗特性の向上には、粒界ガラス相の耐摩耗性を向上が重要であることがわかった。

本研究は、これまでのセラミックスの破壊と先進セラミックスの微構造制御に関する研究成果を活かして、セラミックスの破面のナノ〜原子スケールの観察(ナノフラクトグラフィー)を行うことにより、粒内および粒界破壊靭性の発現メカニズムやセラミックスの疲労メカニズム等を明らかにすることを目的としたものである。本年度は、昨年度までの多結晶アルミナのナノフラクトグラフィー評価を、さらに深耕させるため、単結晶アルミナのへき開面のナノフラクトグラフィー評価を行った。また、微視的破壊である摩耗挙動に着目し、窒化ケイ素セラミックスの摩耗面のナノフラクトグラフィーも評価した。単結晶アルミナでは、マクロにへき開破壊した面であっても、SPM観察では1nm程度のステップが観察された。ステップの大きさは結晶面により異なっていた。これらの差異は、(0001)面上で生成する転位のバーガスベクトルと結晶面の幾何学的関係を考慮して説明することができた。すなわち、アルミナのへき開面には破壊に伴って生成したものと考えられる転位に関係した微視的ステップが多数存在することが明らかとなった。一方、窒化ケイ素セラミックスの摩耗面では、アブレッシブ摩耗に起因する比較的大きな摩耗痕の他に、粒界ガラス相が優先的に摩耗していく様子が観察された。従って、窒化ケイ素セラミックスの摩耗特性の向上には、粒界ガラス相の耐摩耗性を向上が重要であることがわかった。