ノッチがナノ領域の大きさの場合の脆性材料強度と破壊力学の適用限界

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ナノノッチを持つサファイアの破壊を調べ、ナノノッチの導入、破壊力学試験およびシミュレーションとの融合により、現在までμmオーダーで行われていた破壊力学試験のディメンションの範囲をナノ領域まで拡大する手法を提案することを目的とし、以下の研究を行った。(1)単結晶Al_2O_3(サファィア)の表面処理(劉、香川)単結晶Al_2O_3の表面を十分に研磨後に、大気中1000～1500℃の温度に1～10h保持し、加工処理の影響を除いた。ついで、表面状態をAFMで調べた。また、TEM観察も行った。表面研磨処理を行ったサファイア単結晶で曲げ強度を測定し、強度のバラツキを調べた。(2)ナノノッチの導入手法の検討(田中、劉)ダイアモンドAFMチップを用いてサファイア(以後、単結晶Al_2O_3とする)表面に長さ10～500nmのノッチを導入するために装置を試作した。ノッチ導入のためのAFMチップ負荷荷重やスクラッチ速度を検討した。また、ノッチ先端部でのAl_2O_3中の転位の発生などをTEMで観察した。これらの実験から、ノッチ先端部曲率を考慮し、ナノノッチ導入条件を決定した。ノッチ導入は試料の面方位を変えて行った。ノッチ導入後のノッチ部近傍の損傷を透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて詳細に調べた。特に、ノッチ部先端からのクラックの発生やノッチ先端部分での転位の導入現象などを詳しく調べた。(3)破壊試験と破壊状況の観察(田中、香川)ノッチを導入したサファイアの3点曲げ試験を行った。試験は大気中(乾燥空気)で行い、クロスヘッド速度は0.5mm/min以上とした。破壊試験後に破壊状況のマクロ観察や表面ミクロ観察を行った。ノッチの有無及び長さ(a)の差による破壊挙動を詳しく観察した。曲げ、強度はグロス応力を用いて整理した。