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

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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。