Self-organized nanostructure-reinforced environmental barrier coatings

エンジニアリングセラミックス部材がより過酷な環境において優れた信頼性を発揮するためには、部材を保護するセラミックスコーティングにおいても組織設計の変革が求められている。本研究課題では、気相中での自己組織化に基づく新たな設計手法を提案する。セラミックスコーティング内部にナノ構造を作りこむ手法は、従来の組織設計や構造設計を実現するためのコーティングプロセスでは達成しえない組織形成手法である。化学気相析出法を用いた芯材強化柱状構造の自己組織化析出を実証し、その熱的・機械的特性を評価する。原料には、Hfおよび各種金属元素の有機金属化合物を用い、原料炉内で所定の温度で気化させ前駆体ガスとした。基板には、セラミックス基板や各種酸化物の単結晶基板を用い、加熱ステージ上でレーザー照射により加熱した。合成した試料は、X線回折により相同定を行い、微細組織は走査型電子顕微鏡により観察した。蛍光特性は、蛍光分光光度計により測定し、機械的特性はマイクロカンチレバー法により評価する。2022年度は、ZrO2-MgO系、Lu2O3-TiO2系およびLu2O3-MgO系の複合膜の合成実験において、合成条件が生成相や微細組織に与える影響を明らかにした。ZrO2-MgO系においては、ナノ構造の生成は認められなかったものの、Mg2Zr5O12単相膜が得られた。Lu2O3-TiO2系においては、単結晶YSZ基板上への合成において、Lu2Ti2O7-TiO2複合膜のの表面には、Lu2Ti2O7相とRutile-TiO2相が互いに絡み合ったラメラ状組織が認められた。断面には、ラメラ状組織に加えて、両相が基板界面から表面へ一方向に成長したロッド状組織が見られた。原料ガス中のTi/Lu比の増加に伴って、Lu2Ti2O7相の分率が大きい表面からRutile-TiO2相の分率が大きい表面へと変化し、共晶組成付近ではラメラ組織が微細化していた。

エンジニアリングセラミックス部材がより過酷な環境において優れた信頼性を発揮するためには、部材を保護するセラミックスコーティングにおいても組織設計の変革が求められている。本研究課題では、気相中での自己組織化に基づく新たな設計手法を提案する。セラミックスコーティング内部にナノ構造を作りこむ手法は、従来の組織設計や構造設計を実現するためのコーティングプロセスでは達成しえない組織形成手法である。化学気相析出法を用いた芯材強化柱状構造の自己組織化析出を実証し、その熱的・機械的特性を評価する。原料には、Hfおよび各種金属元素の有機金属化合物を用い、原料炉内で所定の温度で気化させ前駆体ガスとした。基板には、セラミックス基板や各種酸化物の単結晶基板を用い、加熱ステージ上でレーザー照射により加熱した。合成した試料は、X線回折により相同定を行い、微細組織は走査型電子顕微鏡により観察した。蛍光特性は、蛍光分光光度計により測定し、機械的特性はマイクロカンチレバー法により評価する。2022年度は、ZrO2-MgO系、Lu2O3-TiO2系およびLu2O3-MgO系の複合膜の合成実験において、合成条件が生成相や微細組織に与える影響を明らかにした。ZrO2-MgO系においては、ナノ構造の生成は認められなかったものの、Mg2Zr5O12単相膜が得られた。Lu2O3-TiO2系においては、単結晶YSZ基板上への合成において、Lu2Ti2O7-TiO2複合膜のの表面には、Lu2Ti2O7相とRutile-TiO2相が互いに絡み合ったラメラ状組織が認められた。断面には、ラメラ状組織に加えて、両相が基板界面から表面へ一方向に成長したロッド状組織が見られた。原料ガス中のTi/Lu比の増加に伴って、Lu2Ti2O7相の分率が大きい表面からRutile-TiO2相の分率が大きい表面へと変化し、共晶組成付近ではラメラ組織が微細化していた。