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アルミナセラミックス中の粒界拡散メカニズムの原子論的研究

氧化铝陶瓷晶界扩散机理的原子研究

基本信息

批准号：
10J09246
负责人：
高橋伸彬
金额：
$ 0.9万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2010
资助国家：
日本
起止时间：
2010 至 2011
项目状态：
已结题

项目摘要

高温構造用アルミナセラミックスのクリープ変形はしばしば粒界拡散に律速されるため、粒界拡散に対する添加物の効果を調査することは、実際の高温力学特性を理解・制御する上でも非常に重要であると考えられる。そこで本研究では、無添加およびYを添加した二通りのΣ13双晶粒界セルを構築し、酸素イオンの空孔形成エネルギーおよび移動エネルギーの第一原理計算を行い、両者の比較を行った。形成エネルギーに関しては、Yを固溶させた粒界コア領域において、無添加に比べむしろ空孔の形成エネルギーは低くなるサイトも存在し、空孔の濃度はYの存在に影響を受けないか、あるいは上昇する可能性が示唆された。Y2O3粒内における空孔形成エネルギーが、アルミナ粒内よりも大幅に低くなることを考慮すると、粒界においてY周辺の結合環境がY2O3に近い状態に変化していることが予想される。さらに空孔形成のサイトによるばらつきがYの添加により小さくなり、空孔が形成されやすい領域が無添加に比べ粒界面のごく近傍のみに限定されている。一方移動エネルギーは、Yが添加されることで大きくなることがわかった。これは過去双結晶を用いた酸素拡散実験により予想されている、Yの偏析により拡散の活性化エネルギーが増大するという傾向と一致している。すなわち本結果から、Yの偏析によるアルミナ酸素粒界拡散の抑制効果は、酸素空孔が周辺のYと会合することで、そのモビリティーが低下することに起因していると考えられる。添加物による材料特性のコントロールは実材料においても最も一般的かつ重要な手法であり、今後アルミナに関するより合理的な材料設計指針を構築するためにも、本研究で得られたような添加元素の原子・電子レベルの効果に関する知見は工業的にも価値が高いと考えられる。

It is very important to investigate the effect of additives on the mechanical properties of high temperature structures. In this study, the first principle calculation of the structure of the two-channel double-crystal boundary, the formation of voids and the movement of the two-channel double-crystal boundary are carried out. The possibility of pore formation due to the presence of Y in the solid solution and the absence of Y in the solid solution indicates that the pore concentration is affected by the presence of Y in the solid solution. Y2O3 intragranular void formation is expected to occur in the near middle state of Y2O3. The intergranular void formation is expected to occur in the near middle state of Y2O3. In addition to the above, there is a gap between the two regions, and the gap between the two regions is smaller. One side moves to the other side, Y adds to the other side. In the past, double crystals were used to disperse acid, and the segregation of Y was expected to increase the activity of Y. The reason for this phenomenon is that the Y segregation of the acid particles is inhibited, and the Y segregation of the acid particles is inhibited. Material properties of additives are the most important aspects of material design. In this study, we have obtained information about atomic and electronic properties of additive elements and the most important aspects of material design.