http://support.spring8.or.jp/Report_JSR/PDF_JSR_24B/2012A1168.pdf

2012A1168BL10XU

ナノ多結晶ダイヤモンドの高応力付加による変形・破壊挙動Ⅳ
Deformation Behavior of Nano-polycrystalline Diamond Subjected toHigh Stress Load角谷 均 a, b, 中本 有紀 b, 坂田 雅文 b, 太田 健二 b, 松岡 岳洋 b, 清水 克哉 b
Hitoshi Sumiyaa, b, Yuki Nakamotob, Masafumi Sakatab, Kenji Ohtab, Takahiro Matsuokab, Katsuya Shimizubaa

住友電気工業（株）, b 大阪大学
Sumitomo Electric Industries Ltd., bOsaka Univ.

直接変換焼結により合成される高純度多結晶ナノダイヤモンドは、非常に微細なダイヤモンド粒子が強固に結合し、単結晶ダイヤモンドをしのぐ高い硬度、強度をもつ。このため超高圧発生用ダイヤモンドアンビルセル（DAC）用のアンビルとすることで、通常の単結晶ダイヤモンドよりも 2 倍前後の圧力発生が可能である。今回、アンビルの底面の引っ張り応力を抑えるようなアンビル形状とセル構成の適用により、さらに到達発生圧力を 3 倍程度に向上できることを確認した。
キーワード：

nano-polycrystalline diamond，x-ray diffraction，high pressure

背景と研究目的：
超高圧高温下でのグラファイトからの直接変換により、緻密なダイヤモンド単相の多結晶体が得られる[1]。この多結晶ダイヤモンドは数十 nm の非常に微細なダイヤモンド粒子が介在物なしに強固に結合した組織を有し、単結晶ダイヤモンドを凌駕する硬さを有する[2]。このナノ多結晶ダイヤモンド（NPD）は劈開性もなく、非常に高い靭性を有するため、次世代の高性能切削工具として極めて有望である。一方、単結晶ダイヤモンド（SCD）は、最も高い硬度、圧縮強度を有し、紫外から遠赤外の広い領域の光や X 線に対して透明であることから、超高圧発生用ダイヤモンドアンビルセル（DAC）のアンビルとして、高圧科学の分野において広く利用されてきた。NPD は、
この DAC 用のアンビルとしても有望で、SCD では到達できなかった超々高圧発生の実現も期待できる。
これまでにわれわれは、NPD をアンビルとした超高圧発生実験や、超高圧発生時のアンビル変形の計測などにより、NPD の高負荷時変形挙動や、強度・靭性、弾性変形状態や体積弾性率などの機械特性や、破壊形態のデータを得ている。さらに、先端サイズ、形状の異なるアンビルでの追加実験や、各種単結晶ダイヤモンドとの比較実験を実施、アンビル先端の平坦面（以下、キュレットと呼ぶ）の直径φ50 μm 以下で、SCD アンビルの場合と同程度の超高圧発生が可能であることを確認した[3]。さらに、圧力印加の面積が大きい場合は、NPD は SCD を超える耐圧・強度特性を示すことを確認、その優位性は圧力印加面積の拡大とともに増加することを明らかにした。この結果、キュレット径φ300 μm 以上で、SCD アンビルの 1.5～2 倍近くの圧力を安定して発生できることがわかった[4]。キュレットが大きくなる程、SCD は縦方向のへき開による破壊が優勢となるが、NPD は多結晶体であるためへき開性がなく強靭であるため、SCD に比べてより高い圧力発生が可能になったと考えられる。こうして得られた NPD の変形･破壊挙動は、NPD の工具用途への応用展開のための基礎データとして重要で、たとえば極めて高い応力下での使用となる切削工具用途や、高負荷環境下の構造部材や窓材などの工業的用途へ展開していく上で、非常に有益な情報となる。また、高圧発生用アンビルとしての検討は、超高圧物理の研究用途への展開のための貴重な知見となる。これら応用製品の開発へ、具体的にフィードバックするためには、さらにサイズ、形状、材質の異なるアンビルでの実験の蓄積が不可欠である。
これまでの実験結果を解析した結果、キュレット径がφ300 μm を超えるようになると、アンビルの破壊機構が先端部の圧縮応力による破壊から、アンビル底面の引っ張り応力による破壊に変化するものと推定され、FEM 計算からもこれを支持する結果が得られた。そこで今回、アンビル底部をラテラルサポートする形状のアンビルを設計し、アンビル底面での引っ張り応力を抑制することで、より高い圧力発生、耐高付加応力の更なる向上の可能性を追求した。

実験：
NPD 素材から、キュレット径φ400 μm フラット（面取なし）のアンビルとφ400-500 μm べベルドアンビル（キュレット外周部を面取して斜面を形成したアンビル）を作製した。このとき、底面の引っ張り応力を抑制（ラテラルサポート）するため、それぞれの下方側面に 30°テーパーを形成した。
台座にも同形状のテーパーを作製し、超高圧発生用ダイヤモンドアンビルセルを用いて圧力発生実験を行なった。ガスケットにはレニウムを用い、圧力は試料スペースに封入した Pt の状態方程式により決定した。X 線波長 0.4128 Å、入射 X 線形状φ10 μm とし、検出器にイメージングプレートを使用して露光時間 1 min で、Pt の回折パターンを測定した。また NPD アンビルの底面が通常のフラット形状のアンビルも作製し、比較実験を行った。

結果および考察：
NPD からキュレット径φ400 μm とφ400 -500 μmのベベルドアンビル、それぞれに Fig.1 に示すようなアンビル底面ラテラルサポート型のアンビルを作製し、DAC を用いて圧力発生実験を行なった。
それぞれの形状の NPD アンビルにより圧力発生実験を実施し、その結果得られた発生圧力曲線を Fig.2 に示す。この図の横軸 Phi は加圧治具の駆動量で、ピストンストロークに対応する。キュレ
ット径がφ400 μm のサポートタイプのアンビルで加圧テストを行ったところ最高到達圧力は 125
Gpa であったのに対し、底面が通常タイプのもの
では 120 GPa であった。このことからサポート型アンビルが通常のタイプに比べてより高い圧力まで発生可能であることがわかる。次にキュレットがφ400-500 μm べベルドアンビルでは、底面サポートタイプで 156 GPa まで、通常タイプでは 135 GPaの到達圧力であった。このことから、底面サポート型とキュレット面のべベルを組み合わせることにより、さらに到達圧力を向上できることがわかった。通常の SCD のφ400μm のアンビルでは到達圧力が 55~60 GPa 付近であることと比較すると、ラテラルサポートとべベルを施した NPD アンビルは、その 3 倍程度の驚異的な到達圧力を示すことがわかった。今後、底面の形状を最適化することで、さらなる発生圧力の拡大が期待できる。

Fig.1．The shape of the conicalsupported anvil.

Fig.2．Plots of generated pressures as functionsof piston stroke.

今後の課題：
底面ラテラルサポート効果の適応と、キュレット面のべベルを組み合わせることで NPD アンビルの発生圧力が大きく向上することを確認した。今後さらに底面ラテラルサポート形状およびキュレットのベベルなど、アンビルの形状の最適化を行い、更なる圧力発生の可能性を追求する。
参考文献：[1] 角谷均, 入舩徹男, NEW DIAMOND, 22, 6 (2006).
[2] H. Sumiya et al, Diam. Relat. Mater., 13 1771 (2004).
[3] Y. Nakamoto et al., Jpn. J. Appl. Phys. 46, L640 (2007).
[4] Y. Nakamoto et al., Rev. Sci. Inst., 82, 066104 (2011).