高温高圧下での実験と第一原理理論計算によるボロン系遷移金属化合物の合成と特性評価

平成23年度は以下の3項目を達成した.1. マルチアンビル高圧合成装置を用いて,β相ホウ素(β-B_<106>)からγ相(γ-B_<28>)ならびにα正方晶ホウ素(T-B_<50>)の合成に成功し,これら3相の相関係を特定した.その結果,γ-B_<28>は幅広い温度圧力領域で合成され,T-B_<50>はより高温領域で合成されることが分かった.また,TB_<50>はβ-B_<106>やγ-B_<28>からβ正方晶ホウ素(T-192)への転移過程において反応速度論的理由(オストワルド成長)で生成される中間相と思われる.次に,X線回折・ラマン分光・透過電子顕微鏡観察により,ホウ素の相関係を18万気圧・2200℃まで決定した.β相ホウ素・γ相ホウ素は,それぞれ低圧・高圧においてT-B50に直接転移することを示した.同時に,これらの相転移が可逆的であることも分かった.2. 現在までに,γ相ホウ素が50GPa以上の硬度を持つ単元素固体であることを2つの研究グループが報告している.γ相ホウ素の力学特性に関する多くの理論的研究がなされ,弾性定数の理論予測によればγ相ホウ素はB_6Oに匹敵するビッカース硬度を持つ可能性がある.しかし,剪断強度の理論計算では,γ相ホウ素の破壊モードは(001)[010]のすべり系の剪断変形に卓越し,その系での強度は21.6GPaとされ,先に測定された50GPaの値とは食い違っている.そこで,報告されている力学特性の検証のために,本研究では多結晶ホウ素の硬度と弾性特性を測定した.硬度測定結果と先行の理論計算との比較により,γ-B_<28>の硬度は50GPaに達しないこと,また,報告されている超硬度は別の結晶方向ならびにナノ結晶の特性によることが示唆された.また,γ相ホウ素は多結晶窒化ホウ素やB_6Oと同程度の弾性定数と硬度を持つことを明らかにした.これらの結果より,多結晶γ-B_<28>は超硬度の多結晶体であり幅広い利用が期待される.3.化学組成比W:B=1:4を持つ遷移金属ホウ化物であるWB_4化合物の合成に成功した.今後,物理特性測定に用いる他の5d遷移金属-ホウ化物(例えば, ReB_4, OSB_4)の高温高圧下合成ならびに良質焼結試料合成を目指す.

平成23年度は以下の3項目を達成した.1. マルチアンビル高圧合成装置を用いて,β相ホウ素(β-B_<106>)からγ相(γ-B_<28>)ならびにα正方晶ホウ素(T-B_<50>)の合成に成功し,これら3相の相関係を特定した.その結果,γ-B_<28>は幅広い温度圧力領域で合成され,T-B_<50>はより高温領域で合成されることが分かった.また,TB_<50>はβ-B_<106>やγ-B_<28>からβ正方晶ホウ素(T-192)への転移過程において反応速度論的理由(オストワルド成長)で生成される中間相と思われる.次に,X線回折・ラマン分光・透過電子顕微鏡観察により,ホウ素の相関係を18万気圧・2200℃まで決定した.β相ホウ素・γ相ホウ素は,それぞれ低圧・高圧においてT-B50に直接転移することを示した.同時に,これらの相転移が可逆的であることも分かった.2. 現在までに,γ相ホウ素が50GPa以上の硬度を持つ単元素固体であることを2つの研究グループが報告している.γ相ホウ素の力学特性に関する多くの理論的研究がなされ,弾性定数の理論予測によればγ相ホウ素はB_6Oに匹敵するビッカース硬度を持つ可能性がある.しかし,剪断強度の理論計算では,γ相ホウ素の破壊モードは(001)[010]のすべり系の剪断変形に卓越し,その系での強度は21.6GPaとされ,先に測定された50GPaの値とは食い違っている.そこで,報告されている力学特性の検証のために,本研究では多結晶ホウ素の硬度と弾性特性を測定した.硬度測定結果と先行の理論計算との比較により,γ-B_<28>の硬度は50GPaに達しないこと,また,報告されている超硬度は別の結晶方向ならびにナノ結晶の特性によることが示唆された.また,γ相ホウ素は多結晶窒化ホウ素やB_6Oと同程度の弾性定数と硬度を持つことを明らかにした.これらの結果より,多結晶γ-B_<28>は超硬度の多結晶体であり幅広い利用が期待される.3.化学組成比W:B=1:4を持つ遷移金属ホウ化物であるWB_4化合物の合成に成功した.今後,物理特性測定に用いる他の5d遷移金属-ホウ化物(例えば, ReB_4, OSB_4)の高温高圧下合成ならびに良質焼結試料合成を目指す.