結晶性材料の粒界構造と粒成長の相関を明らかにするために、 双結晶を用いた粒 界の原子構造、 電子構造の解析、 これらが及ぼす粒界エネルギーと粒界破壊強度の 評価、 原子レベルでの直接観察を行い、 個々の粒界の特性に関して研究を行った。
また、 多結晶材料における結晶方位、 粒界性格解析を行い、 それらが及ぼす粒成長 への影響について研究を行った。 得られた結果を以下に要約する。
モリブデン対称傾角粒界の原子構造と電子構造
(1) モリブデンく001>と<110>対称傾角粒界の粒界エネルギーは、 傾角に強く依
存しており、 <001>対称傾角粒界では(130)J; 5と(120)J; 5対称傾角粒界で大 きなエネルギーカスプが、 <110>対称傾角粒界では(1 12)J;3と(332)J; 11対称 傾角粒界で大きなエネルギーカスプが得られた。
(2) モリブデン<001>と<110>対称傾角粒界の原子構造は、 いずれも構造ユニッ トモデルで記述することが可能であることが分かった。 <001>と<110>対称傾 角粒界を基本ユニットからの階層構造で記述すると、 第2階層は構造ユニット が短周期で規則的に配列する構造をとるため、 粒界エネルギーが低下すること が明らかになった。 すなわち、 粒界エネルギーは構造ユニットの配列の仕方に 強く依存するといえる。
(3) 電子構造解析によるモリブデン<001>対称傾角粒界に及ぼす不純物元素の影 響を検討した結果、 炭素がモリブデンとの結合力が最も強く、 粒界近傍のモリ ブデン原子聞の結合力を弱めていた。 また、 不純物元素の影響は配列する構造
ユニットの種類によって異なることが 分かった。
モリブデン<001>対称傾角粒界の粒界エネルギーと粒界破壊強度
(4) Thermal Grooving法による粒界エネルギーの評価を行った結果 、 粒界エネ
ルギーの表面エネルギーに 対する相対値は、 上に凸の傾角依存性を示した。 ま た 、 (I"30)L 5と(I"20)L 5および(150)L 13 対称傾角粒界でエネルギーの極小 が確認された。 この結果は分子動力学法による粒界エネルギーの傾角依存性と よく一致していた。
(5) 粒界破壊強度の傾角依存性は下に凸の傾角依存性を示した。 実験結果と理論
計算結果の両方でエネルギーに極小が見られた(130) L 5と(I"20) L 5および (150) L 13対称傾角粒界で破壊強度に極大は現れなかった。
(6) く001>対称傾角粒界の破壊強度の傾角依存性は、 不純物元素の有無によって 大きな変化を示さなかった。 これは、 傾角の変化による自由体積の変化が小さ いこと 、 不純物元素が入ることによる原子聞の結合力の低下が粒界性格に依存 しないことによると考えられる。
モリブデン<001>2:;5非対称傾角粒界の微細構造
(7) <001> L 5非対称傾角粒界は、 (130)1 (130) � 5、 (210)/(120) � 5 対称傾角粒 界面および(550)1 (1 70)欄密面にファセット化することが明らかになった。
(8) <001> � 5非対称傾角粒界のファセット面は、 いずれも(130)/(130) L 5と (210)/(120) � 5対称傾角粒界の構造ユニットで記述できた。
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100-(9) <001> � 5非対称傾角粒界の各ファセット面の偏析許容量の違いによって、
未純化材の構造は純化材とは異なることが示された。 すなわち、 2つの対称傾 角粒界面では不純物元素の偏析量によって形態が 異なっていた。 また、 調密面 への偏析はほとんど観察されなかったため、 不純物元素の偏析によって調密面 の界面エネルギーが 上昇することが示唆された。
高純度アルミニウム箔の立方体方位集合組織形成過程
(10) 箔の製造工程で部分焼鈍と付加的圧延を加えることによって立方体方位粒の
占有率が急激に上昇することが確認された。 これは、 付加的圧延によって立方 体方位粒以外の結晶粒にひずみを導入し、 そのひずみエネルギーを駆動力とし て立方体方位粒の成長が急速に進行するためであると考えられる。
(11) 立方体方位粒の成長における粒界性格の効果について検討した結果、 一次再
結晶段階では立方体方位粒の周りはランダム粒界の存在確率が高かった。 すな わち、 高純度アルミニウム箔は、 これまでの純アルミニウムやアルミニウム合 金板で報告されてきた"Z7対応粒界の移動による立方体方位粒の成長ではなく、
ランダム粒界の移動によって成長することが明らかになった。
気相成長法により作製された炭化ケイ素(SiC)の結晶成長過程
(12) グラファイト基板上に気相成長させたSiCは、 最初にβSiCのランダム核生 成後、 粒成長が 進行するにつれて成長方向にく110>方位をもつように組大化す る。 その後、 ランダム粒界の領域でα-SiCが 核生成・ 成長し、 粗大な結晶粒に 成長することがSEM-EBSP法による解析によって明らかになった。
謝 辞
本論文は、 著者が九州大学大学院総合理工学研究科に在学した5年間の 研究成果をまとめたものである。 本研究の遂行に当たり、 九州大学大学院総 合理工学府 阿部弘教授には、 懇切丁寧な御指導を頂くとともに、 本論文 の執筆に際して有意義な御意見を頂いた。
九州大学大学院総合理工学府 中島英治助教授には、 本研究の遂行に
当たり、 著者が九州大学大学院総合理工学研究科に入学して以来、 懇切丁寧 な御指導を頂くとともに、本論文の執筆に際しでも有意義な御意見を頂いた。
さらに、 公私にわたり著者を温かく見守っていただいた。
九州大学大学院総合理工学府 吉田 冬樹 講師には、 本研究の遂行に当
たり、 実験方法、 学会発表および論文執筆に至るまで、 懇切丁寧な御指導な らびに温かい激励を頂いた。
九州大学大学院総合理工学府 沖 憲典教授、 栃原浩教授には本論文 に対して貴重な御意見ならびに懇切丁寧な御指導を頂いた。
森田 孝治 博士(現在:金属材料技術研究所)、 上原 雅人 博士(現在:九 州大学大学院工学府)ならびに 川原浩一博士(現在:東北大学大学院工学 研究科)には、 公私にわたり様々な御指導と激励を頂いた。
九州大学大学院総合理工学府 隈元和子助手には、 快適な研究環境を サポートしていただき、 さらには公私にわたり様々な激励を頂いた。
ここに、 お世話になった関係各位に深く感謝の意を表する次第である。
また、 試料の純化処理に際して御協力いただいた九州大学応用力学研究 所 吉田 直亮教授、 宮本好雄技官、 試料の分析に際して御協力いただい た新日本製織株)西田世紀氏に心から感謝申し上げる。
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102-なお、 本研究は森田 孝治博士、 九州大学大学院生 北村仁雄氏(現在:
(株)ショウティック)、 津曲兼一郎氏(現在:ソニー長崎(掬)、 九州大学学生浜
崎 康孝氏(現在: NTTソフトウェア(株:))の御協力のもとで行われた。
に、 特記して心から感謝申し上げる。
、守， 、F L・ー. L
また、 著者の研究生活を通して、 公私にわたって多大なるご支援を頂い
た研究室の先輩や同輩、 ならびに 北原弘基氏をはじめとする後輩の皆様 に心から感謝申し上げる。
最後に、 著者が今日まで研究に没頭できたのは、 両親の温かい支えがあ ったからこそである。 ここに、 深甚なる感謝の意を表する次第である。
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