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無機材質研究所

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[無機材研ニュース第128号](https://mdr.nims.go.jp/datasets/9e79387f-f3e2-4b7c-b122-e23707ed39b5)

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無機材研ニュース第128号七〇一．ゼEoo．一0E蜆E0－oo］1oo．o0＝あ○蜆oo．］o．Eo一垣oo］10’0E0上oo○眈o〇一10－〇一眈○眈餉Eo．但≧里三…ω…Z－o○餉］○工←第128号 平成3年7月窒化けい素セラミックスの組織評価　窒化けい素セラミックスは高温構造材料として、自動車エンジン部品その他への実用化が進展しつつある。それに従いセラミックスの機械的性質も向上している。しかし、破壊靱性値はまだ十分でなく、部品の信頼性や寿命保証に問題がある。当グループでは独自に開発したガス焼結法を利用して組織制御を行い、高靱性セラミックスを得る研究を続けている。そのためには画像解析を利用して組織を定量的に把握する必要がある。　セラミックスの組織に大きな影響を与える因子として出発原料の結晶型がある。10気圧の窒素中、図1　ガス圧焼結窒化けい素の組織と原料の関係、　　　（a〕β一型、（b）α一型1950℃で1時間ガス圧焼結したセラミックスの組織は図1のようにかなり異なっている。窒化けい素は液相を生成する助剤を用いて焼結する。焼結と共にα→βの相転移が起こる。従って、セラミックスは原第3研究グループ　主任研究官三友．　護料に関係なくβ一型窒化けい素粒子と液相の固化したガラス相からなる。図1はガラス相を化学エッチし粒子の形状を観察したものである。β粉末では小さい粒子の溶解と大きな粒子の成長と共に焼結が進行し、比較的均一な組織となる。α粉末では上記過程と相転移が同時に進行し、不均］な組織が発現する。　組織は六角柱状の粒子からなっており、2次元の　　　　　0　　　　　　1　　　　　　　　　　　　　　3　　　　　　Nor…oli18一一io…o｝一（d／一〕図2　β粉末から得たセラミックス中の粒度分布観察カ）ら3次元の情報を得る。多数（1000－2000個）の粒子から測定した粒子直径の分布を図2に示す。図はβ粉末から得たセラミックスで測定した分布を平均直径で規格化したものである。焼結温度の上昇と共に大きな粒子が少しずつ減少しており、正常粒成長の挙動である。α粉末の場合、2重の粒度分布を持つ。　粒子の形状はアスペクト比（長軸／短軸比）で定義できる。観察した粒子ごとのアスペクト比を高い順に並べ、その90－100％の値の平均を粒子の平均形状（R）とする。セラミックスの破壊には大きな粒子の寄与が重要なので、平均粒径の3借以上の粒子についてその平均形状（R・o）も求める。その結果は図3のようにな。］見した印象とは異なり平均のアスペクト比は3－4と原料に依存しない。これは大多数の粒子の粒度分布や形状が原料特性に依存しない（1）．22○邑2　5扁し。　α　　1・〕　　　　　　’○、、　　　　一’　　　　一、●　　　’○’・／’　β百　　　　　　　1b〕●■　　　　　一●、　　ρ’　　　　　㌔／　β　　　　　1850　19001950　2000　　　　　　　　丁6mp舳1㈱ゼC〕図3　粒子形状の変化、（・）大きな粒子、（b）平均ことを意味し、これは最終セラミックスの化学組成と結晶質組成が同じである事と対応する。一方、大きな粒子のアスペクト比はβ粉末からのものでは平均値より低い。これは液相焼結の終期では毛細管力の影響で粒子が等方に近ずくという予測と一致し、粒度分布の損淀結果と共にβ粉末を原料として焼結する場合正常粒成長が起こった事を示す。α粉末を原料としたセラミックスでは図のように大きな粒子のアスペクト比は平均値より高く異常粒成長が起こつている。　セラミックスの破壌靱性値は均一組織（図1（・））では5－6MPa・m・旭程度、不均一な組織（図！（b））では6－8MPa・m1μである。不均一組織の方が破壊靱性が高い。不均一組織の方が破壊靱性が高いことは複合材料の破壊理論でも示されている。高靱性化に大きく寄与すると予測される機構を図4に示す。クラック偏向では分散粒子によってクラックの進行方向が変化し、余分な破壌エネルギーを消費する結果靱性が上がる。分散粒子の量が一定の場合、アスペクト比が靱性向上に最も影響する。架橋はクラック先端が進行した後でも粒子とマトリックスの結合lalω図4　セラミックスの高靱性化機構　　（a）クラック偏向モデル、（b）架橋モデルが保持され、クラック先端おける応力を低下させるものである。分散相の直径と界面結合状態が靱性向上に影響する。窒化けい素セラミックスでは異常成長した粒子を複合材料中での分散相として取り扱う。窒化けい素セラミックスの組織の定量値と破壊靱性値の対応から低靱性ではクラック偏向が、高靱性では架橋が靱性強化め主要な機構であると考えられる。　セラミックスの科学と技術は均一性を前提に発展してきた。例えぱ、酸化物の焼結は細かく等方的な粒子からなるセラミックスを冒標に、拡散を促進し粒成長を抑制する研究を中心に進められてきた。構造周セラミックスではすでに述べたように、靱性強化の要請から不均一性の導入が不可欠である。窒化けい素セラミックスでは異常成長する粒子は個数で1－2％、体積で20－30％である。少数部分が全体を支配するのが構造用セラミックスの機械的特性の特徴であり、学問的にも技術的にも新しい問題であ乱セラミックスの破壊靱性を上げるには纏織の積極的な制御が必要であり、粒成長に影響する因子の詳細な検討が重要であると考えられる。参考文献1）M．Mitomo　et　al，J．A㎜．Ceram．Soc，73（8），　　2441（1990）．2）M．Mitomo　and　S．Uenosono，J．Mater．Sci．印　　刷中．インテリジェント構造材料研究近年の急激な技術箪新により、それまで人類の夢とされてきた航空、宇宙、原子カ等の利用が現実のものとなった。これはまた、構造材料の使用環境が第1研究グループ　主任研究官　池上　隆康ますます過酷になり、それだけ事赦の巨大化、悲惨化（図三）を意味する。このため、材料の寿命・予寿命の診断技術の開発が緊急の事となり、科学技術（2）航空・宇宙・原子力事故の巨大化・悲惨化材料の寿命・予寿命診断が必要　　　材料自身による予寿命診断や　　　自己修復による信頼性の向上図1　材料のインテリジェント化の必要性振興調整費による総合研究でも「構造材料の信頼性」や「非破壊検査技術開発」等に関する課題がとり上げられている。　また、産業技術の発展は日常生活においてもハード社会からソフト社会への移行をもたらした。科学技術庁では、そのような社会の変化に対応できるように、航電審13号答申において、材料白身にインテリジェント性を持たせて材料の信頼性ばかりでなく、装置システムの簡素化、軽量化、さらには省力化、省資源化を計るというまったく新しい概念による新構造材料創製研究の重要性を指摘した。もちろん、この概念は革新的であるので、現在の技術レベルでは概念の妥当性を明確に実証するのに適した材料は限られているといえよう。　特に、構造材料は過酷な環境に耐えることを要求される、どちらかといえぱ敏感なものより愚直な方が良いとされ、インテリジェント性から遠いものと2016掛　1．2鞘螢螢08○卓ZrOブ2．2md■㌔㌔O〕　　iヨーコ＾一コ■　　　　　　　？7…　　47コ　073　　873　1073　　　　　　　　　　　担度｛K〕図2　熱サイクルによる熱膨張の変化。Y．O。の添加　　　で単斜晶一正方晶の転移温度は低温側にづれ　　　ている。いえよう。さらに、構造用セラミックスは化学的に安定で、硬くて脆い柔軟性に欠けた材料と考えられてきた。しかし、近年、適切に調整したジルコニアセラミックスは、破壊エネルギーを相移転による結晶構造の変化で吸収し、高靱性材料1〕になることが明らかにされ、新しい構造材料として注目されるようになった。これは、環境のエネルギーで靱性という機能を高めたことを意味し、インテリジェント構造材料化への可能性を示唆する。　ところで、ジルコニアは高純度の場合、常温から図3　高靱性化ZrO。（大阪セメント㈱カタログ）は　　　通常のセラミックスと異なり曲げても破壊し　　　ない融点までの間に、下に示すような3つの異なる結晶構造を示す。単斜晶系　　　　正方晶系　　　　等軸晶系常温一約100ぴC　一　約190ぴC　H　約2700℃　単斜晶系から正方晶系への転移で体積が約3％（図2）2〕も小さくなるので、焼結によりセラミックスを織密化しても、焼結体は冷却時の相転移による体積増加で破壊する。これまで、相転移による破壊を防止するため、CaO，MgO，Y．Oヨ等のZrのイオン半径に近い金属元素の酸化物を添加して高温相を安定化させてきた。高靱性ZrO。（図3）は、添加量を制限して結晶構造の安定性を弱めて、環境からの機械的エネルギーを正方晶から単斜晶の相転移で吸収し、靱性を高めたものである。この相転移は見方を変えると、インテリジェント性の3要素の一つであるセンシング機能を発現したといえよう。　本研究は、この相転移による物性の変化を3要素の残りのプロセッシング機能やエフェクタ機能にも応用し、自己診断・白己修復機能を有する新構造材料創製の可能性を探るために行なうもので、①インテリジェント構造材料の合成に関する研究②自己診断・自己修復発現機構に関する研究③き裂進展の素過程の解析に関する研究④セラミックスの靱性化機構の解明に関する研究（3）の4つのサブテーマからなっている。　　　　　　　　　リジェント性材料の創製よりも、インテリジェント　材料のインテリジェント化は、新しい概念での材　　　化の可能性などの基礎的な研究に重点が置かれてい料創製を目指すものであるので、まずこの概念の有　　　る。効性を実証する必要がある。この意味で、高インテ　　　　　　　　　　　　　　カリフォルニアエ科大学雑感　昨春から今春まで一年間、衝撃圧縮に関する共同研究で、カリフォルニアエ科大学（Califomia　Insti－tute　of　Technology）に滞在が許され、見聞を広めることが出来、大きな収穫でありました。関係者への感謝に変えて、ここにその一部をご紹介したいと思います。　カリフォルニアエ科大学は、パザディナ市（ロスアンジェルス市の北の郊外）に位置し、愛称Caltechで通用しています。6つの部門（物理・数学及び天文学、生物学、化学と化学工学、地質学と惑星科学、そして工学と応用科学）に分かれ、学部学生数850人、院生数1000人、教職員数800人という比較的小規模の私立大学であります。Caltechはまた、ジェット推進研究所（JPL）を運営しています。現在までに、その関係者の中に20人以上のノーベル賞受賞者（例えぱ、Robert　A．Millikan，L．Pau1ing，R．MOss－bauerなど）を擁していると聞きました。また、本年でちょうど設立百周年に当たるそうです。パサディナ市は、Ca1techと共に繁栄してきた町であり、この町は毎年1月1日に早朝からくり広げられるローズパレードで有名です。この時は、町の中心のコロラド通りは、自然の物、例えば花や草、木の実、穀物などで色どられ飾られた大きな、多数のフロートでうめつくさます。このパレードの後、ローズボウルでアメリカンフットボールの試合が始まり、市民の興奮は熱をおびてきます。翌日の2日からは職場で通常の仕事が始まり、暦の上で1年が始まります。　Ca1techの衝撃圧縮実験室は、TomAhrens教授の第8研究グループ　主任研究官　関根　利守グループによって運営され、地震研究所の地下2Fにあり、大小2台ずつの一段式火薬銃と二段式軽ガス銃が設置されています。それぞれ、最高衝突速度秒速2．5㎞と6．5㎞が実用されています。更に爆薬法による衝撃波実験も近くのJPLの施設や、車で2時間程スペースシャトルの帰還基地であるエドワード空軍基地内の砂漠で行うことができます。写真は、エドワード空軍基地での1コマです。野外実験は、主送別会にてT．J．Ahrens教授と蠣　　　　　一燕蜜土、い溜混顯粋・・　　．．．㌔．．．　　．．．へ．1…’藻として回収実験が目的で、室内実験は物質の状態式用と回収用の両方に便用されます。実験室には、通常の状態式の測定用だけでなく、衝撃温度の測定、レーザ干渉計法、加熱時の状態式の測定、衝突による破壊シュミレーションなど様々の付随装置が置かれています。よく整備された実験室であるように感じました。ここでの衝撃波実験は、主に3人の高度な技術者によって支えられています。　その他に気づいた事柄が2つばかりありました。その1つは、図書館の充実さで、大概の本は揃っており、学術雑誌及び学会のプロシーディングなども最新のものまでよく揃っていることには驚きました。また、Caltechの図書館は、UCLA（カリフォルニア州立大学ロスアンジェルス校）とUSC（南カリフォルニア大学）と図書館どうしが各大学の定期バスで結ばれていてサービスが受けられるようになっています。もう1つの点は、頻繁に大小のゼミないし発表会・講演会があることです。1週問5日のうち3日運続の特別講演会など年に何回か催され、真撃に出ると白分の仕事が進まないということが起きます。（4）また、昼食時にもゼミがあり、昼食を持参し、発表者以外は食べながら話を闘くという形式があるかと思うと、一方では、金曜日の4時から発表著も含めて好きな方はビールを飲みながら講演会を闘き、その後で暗くなるまで構内の庭で更に飲み続け、発表者と本音で語り合う事もあります。こういうこともカリフォルニアの天候の隼中温和さに密接に関係しているのかもしれません。しかし、本隼は3月末でもパサディナから望む山々が自く雪をかぶっていたのは、大変印象的でした。投稿登録番号 題　　　　　　　　目 発　　表　　者 掲　載　誌　等2590 Preparat…on　and　ProPerties　o童Suercon一 小野　　晃・内田　吉茂 Japanese　　Journa1　ofd鶯cting　CopPer　Oxides（Pb，Cu）（Sr，Ba）2 竹之内　智 ApPlied　Physics（Y，Ca）CU．Oz 29，7．1086．19902591 YBa2（Cui一。Mx）30y（M＝Al，Fe，Co，Ga） 室町　蘂治 粉体および粉末治金系の酸素欠陥 37，5，680．19902592 Preparatin　and　Characterization　of　a 後藤　義人・後藤みどり Mat．Res．Bu王至New　Composite－Layered　Su1｛ide（PbS）L12 川口　健二・大沢　吉直 25，307．！990VS2，”PbVSヨ” 小野顕みつ子2593 Growth　of　Boron　Whiskers　and　Ribbons 小松正二郎・守吉　佑介 Journal　of　Crysta1in　a　Low－Pressure　B2H6＋He÷H2 GrowthP1asma昊　　暁京・正田　　簾王02，899．19902594 Irradiation　Damage　Causεd　by　Ion　Mi1l一堀内　繁雄Jpn．J．Applied　Physicsing　in　Bismuth－Based　Superconductors 29，6，919．19902595 High－Resolution　Transnユission　E至ectron 松井　良爽・鶴田　忠正 Materiais　TransactionsMicroscopy　of　Superconducting　　and 竹川　俊二・井部　克彦 JIMNon－Superconducting　Phases　in　a　Bi－Sr一 岸尾　光二・梅園　明弘 31，7，595．1990Cu－O　Syste㎜ 中村　圭子2595 Deep　Leve1s　Near　the　Grain　Boundary三n 日ヨ中　煩三・菱田　俊一 J．Am，Coram．Soc、a　Zinc　Oxide　Varistor，Energy　Charge 大串　秀世 73，5，ユ425，至9902597 跨㌶紫鍛C毅瀦総かレ、表面構 松井　良夫・伽11俊二 表繭科学造の高分解能電顕プロファイル観察 堀内　繁夫 11，6，365．19902598 Ana1ytica1　Transmiss三〇n　E王ectron 板東　義雄 Materia1s　TransactionsMicroscopy　in　Materials　Science J互M3，7，538，至9902600 単原予層グラファイト 相沢　　俊 表面科学1王，7398．19902601 New　Bariu㎜Tantalum　Su1phides　Part5 佐僧　昌宣・小野田みつ子 Mat．Res．BullBa皇TaS。 25，6，723．19902602 Segregation　of　Ca三〇なs　of　the　MgO（O01） 左右囲龍太郎・相沢　　俊 J．Vac．Sci．Technol　Asurface　shudied　by　neu辻ra1　bea㎜　inci一 石沢　芳夫・大島　忠平 8，4．3218．1990dence三〇n　scattering　spectrOscOPy2603 Transition　of　the　apParent　act三vation 小松正二郎・守吉　佑介 J．Phys，D：ApPl．Physenergy　for　the　growth　of　boron釧触s　as　a 23，王244．1990function　of　substrate　temperat口re　三npIasma－e曲anced　chemica王vapour　depo一sition　from　B2H6＋He2604 PreParation　of　a　TiC　SingIe　Crysta王by 大谷　茂樹・田中　高穂 COMBUSTION　ANDthe　Floating－Zone　Metfod　fro㎜a　Self一 石沢　芳夫 PLASMA　SYNTHES玉SCombustion　Rod O　F　　　H　I　G　H　一TEMPERATUREMATERIALS3222605 低速Heイオン散乱における表圃の電予遷 左右田龍太郎 真空移 33，8，657，至9902606 スメクタイトの研究、結晶が鍵？ 中沢　弘基 粘土科学30，2，131．19902607 Sy滅hes三s　of　Diamond麦rom　Graphite一 赤石　　實・神田　久生山岡　信夫JouぎnaI　of　CrystalCarbonate　Systemsむnder　very　high　Tem一 Growthperature　and　Press湿re 104，O，578，呈9902608 High　Pressure　Syntbesis　of　D三amond　in 赤石　　實・神田　久生山岡　信夫Jpn．Journa王of　App夏iedthe　Systems　of　Grahpite－Su至fate　and 腋ysicsbGraphite－Hidrox1de 29，7．1172．19902609 Sinをeringbehaviour　ofthe　diamond　s靱er 李　　尚却・赤石　　實 J，Mat．Sciinvar　u三互oy　syste搬at　high　temperature 大沢　俊一 25，○，4150．1990and　Pressure 山岡　信夫（5）研究会　5月18日、第4回ガリウム酸塩研究会が「AGGTOの構造安定化とイオン伝導度の評価」の議題で開催された。人事異動　林光夫（管理部長）辞職（新技術事業団）　小倉伸一郎（研究開発局宇宙開発課宇宙利用推進　　　　　　室長）管理部長に昇任させる。　　　　　　　　　　（以上平成3年6月14日付）海外出張　第8研究グループ主任研究官加茂睦和は、「第2回ダイヤモンド・ダイヤモンド状炭素膜及び関連物質コーティングに関するヨーロッパ会議プログラム委員会出席」のため平成3年4月25日から平成3年4月30日までアメリカ合衆国へ出張した。　第11研究グループ主任研究官山本昭二は、「変調構造と準結晶の構造解析法に関する国際会議参加招待講演」のため平成3年4月27日から平成3年5月8日までスペイン及びフランス共和国へ出張した。　第8研究グループ主任研究官加茂睦和は、「第179回電気化学会に出席招待講演及び大学、研究所訪問」のため平成3年5月5日から平成3年5月23日までアメリカ合衆国及びカナダヘ出張した。　第2研究グループ主任研究官和田弘昭は、「第10回受　賞　表彰者名　　表　　彰　　名　　　　　　　表　彰　　の　　内　容三友　　譲　科学技術功労者　　窒化珪素系構造用セラミックスの開発山本　昭二　研究功績者　　　超空間群に基づいた変調構造の解析法及び応用研究三友　譲注目発明　　窒素含有ガラス質粉末の製造法ベノー・ラウバッハ赤石　譲注目開発　　立方晶B－C－N結晶の製造法佐々木高義田中　順三藤木　良規山岡　信夫三島　　修　注目開発　　　　　立方晶窒化ほう素のP－R接合型発光素子江良　　皓田中　順三山岡　信夫月岡　正至　業績表彰　　　　　多段反射型電気炉を用いた光学用単結晶の製技術の確　　　　　　　　　　　　　　　立和田　弘昭　業績表彰　　　　　新規なタンク系化合物の合成技術の確立遷移金属元素固体化合物国際会議に出席し論文発表」のため平成3年5月19日から平成3年5月27日までドイツ連邦共和国へ出張した。　第12研究グループ主任研究官田中高穂は、「第12回結晶成長学会に参加招待講演及び研究所訪問」のため平成3年5月23日から平成3年6月2日までアメリカ合衆国へ出張した。　第2研究グループ主任研究官佐伯昌宣は、「化学輸送法による結晶育成に関する討論」のため平成3年5月26日から平成3年6月4日まで中華人民共和国へ出張した。　第3研究グループ主任研究官田中英彦は、「ファインセラミックスの研究指導」のため平成3年5月26日から平成3年6月8日までマレイシアヘ出張した。　第2研究グループ総合研究官石井紀彦は、「韓国新素材特性評価センターに関する協議」のため平成3年5月27日から平成3年5月31日まで大韓民国へ出張した。外国人の来所1．来訪日時　平成3年5月30日　　来訪者名　Mr．T，Rouxel　　　　　　STAフェロー研究員2．来訪日時　平成3年6月6日　　来訪者名　Dr．Ulf　Bryggman　　　　　　　スウェーデンエ業技術研究所表彰年月日平成3年4月16日平成3年4月16日平成3年4月19日平成3年4月19日平成3年4月19日平成3年5月ユ9日平成3年5月19日（6）