MAX 相セラミックス Ti3SiC2 焼結体におけるキンク変形とキンク強化の可能性について
池田賢一

MAX 相セラミックスにおけるキンク強化の可能性について

.

は じめに

MAX 相は，Mn＋1AXn(n＝1～3)の一般式で示される三元述べる．

.

Ti3SiC2 配向焼結体の力学特性の方位依存性化合物の総称であり， M は Ti, Cr, Zr, Nb などの遷移金属元素， A は Si, Al, Ge などの A グループ元素， X は C もし

結晶性材料の力学特性の方位依存性を評価する場合は，単く は N で あ る(1)(3) ． MAX 相 は 六 方 晶 系 の 結 晶 構 造 を 有結晶を用いた研究が有効である．単結晶を作製することが困し，結晶を構成する Mn＋1Xn 層と A 層が c 軸方向に積層す

難な金属材料の場合は，加工熱処理や一方向凝固等によっるような層状構造を持つため，強い異方性を示すことが知らて，特定の結晶方位を配向させた結晶の集合体，いわゆる集れている．Mn＋1Xn 層と A 層がそれぞれ共有結合と金属結合合組織を有する多結晶体を用いた研究が行われる．MAX 相を有することに起因して，セラミックス的性質と金属的性質セラミックスの場合も，単結晶を作製することが困難であるを兼ね備えたユニークな材料(4)(6)としても注目されている．

ため，特定の結晶方位が揃った(配向した)結晶粒で構成されMAX 相のように結合の強さが異なる層が交互に積層されたる多結晶体を用いることが有効である．以降，本報ではこの構造をミルフィーユ構造(7)と呼び，ユニットセルが原子レベような特徴を有する多結晶体のことを配向成形体や配向焼結ルの硬質層と軟質層で構成されるため，長周期積層規則体のように呼称する．近年，セラミックスの結晶配向制御技(LongPeriod Stacking Ordered: LPSO)構造を有する Mg 系術が多く提案されているが，本研究では，その中でもコロイ合金と同様に，結晶構造型ミルフィーユ構造に分類することドプロセスを用いた結晶配向制御技術である磁場中スリップができる．セラミックスに分類される MAX 相でも LPSOキャストに注目した．これは，結晶異方性を有する物質の粉相と同様にキンク変形が生じること(1)(3) が知られており，末を分散したスラリーに対してスリップキャストする過程でグラファイト(8)や雲母(9)などでも同様にその形成過程につい強力な磁場を印加することにより配向成形体を作製する手法ての研究がなされてきた．セラミックスにおけるキンク変形である． Ti3SiC2 に対しても本手法による配向焼結体の作製は，主に層状物質で生じることが知られており，キンク変形が報告されている(10)(12) ．図は，磁場中スリップキャスした結晶粒の形態は LPSO 相と同様であるが，層間の結合トの模式図と得られた成形体から放電プラズマ焼結( Spark

力の違いから，層間剥離(デラミネーション)が伴うことに違Plasma Sintering: SPS)によって作製した Ti3SiC2 配向焼結いがある．このため，層状化合物のキンク強化についてはほ体の結晶方位分布と0001正極点図である．Ti3SiC2 の場合はとんど議論されていないのが現状である．

スリップキャスト時に回転磁場を印加することでスリップキ

そこで本報では，著者らが MAX 相セラミックスの一種

ャスト方向に結晶の c 軸が配向することが明らかにされておである Ti3SiC2 焼結体を用いて行った力学特性の方位依存性り，実際に図 1(b)と(c)に示すように強い結晶配向組織が形とキンク変形，キンク境界の特徴を評価した内容を紹介し，成される．このような配向焼結体について荷重負荷方向と c

北海道大学大学院工学研究院材料科学部門准教授(〒0608628 札幌市北区北13条西 8 丁目)
Kink Deformation and The Possibility of Kink Strengthening in Ti3SiC2 MAX Phase Ceramics; Ken-ichi Ikeda(Division of Materials
Science and Engineering, Faculty of Engineering, Hokkaido University, Sapporo)
Keywords: MAX phase, kink deformation, kink strengthening, textured Ti3SiC2 sintered body, high magnetic ˆeld, electron backscattered
diŠraction
2022年 5 月30日受理[doi:10.2320/materia.61.572]



特集

図1

(a)磁場中スリップキャストの模式図，(b), (c)スリップキャスト後に SPS による焼結を行った Ti3SiC2 配向焼結体の結晶方位分布と0001正極点図．(b)スリップキャスト方向垂直面，(c)スリップキャスト方向平行面．

図2

Ti3SiC2 配向焼結体を1200°Cで高温圧縮した試料の(a)(c)試験前後の光学顕微鏡像と(d)反射電子像．

軸とのなす角度が 0 °， 45 °および 90 °になるような試験片をンク変形機構の解明やキンク強化の可能性について議論する作製し，ビッカース硬さの荷重依存性を評価した．その結ことが可能であることが示唆された．

果，全ての試料において， 10 N 以下の低荷重では，荷重が低いほどビッカース硬さの値が大きくなり， 10 N 以上では

.

Ti3SiC2 焼結体中に形成されるキンク境界の特徴ほぼ一定の値となる傾向を示した．また，どの荷重においても 0°
試料が 90 °試料よりも約 2 GPa ， 45 °
試料よりも約 3.5

これまでの研究で， Mg TM RE ( TM 遷移金属， RE 

GPa 高い値を示すことが明らかになった．試験後の圧痕近希土類元素)合金中の LPSO 構造相内に導入されるキンク境試料において顕著にキンクが形成
傍の表面観察を行うと 90°界には，結晶学的な特徴を有することが報告されており，共していることが確認できた(13)．さらに著者らは，Ti3SiC2 配通回転軸や回転角等の特徴について明らかにされてき向焼結体を高温環境下で圧縮することでキンク変形が生じるた(14)．そこで著者らは，Ti3SiC2 焼結体に導入されるキンクか否かについても調査した．その結果，90°試料を SPS 装置境界の結晶学的な特徴を評価するために電子線後方散乱回折内で 1200°
C ，真空環境下で圧縮負荷を施すと図( a)( c)に(Electron Back Scattered DiŠraction: EBSD)法を用いた解示すように大きく塑性変形することがわかった．内部の変形析を行い， LPSO 相のキンク境界の特徴と比較した．ここ

組織を観察すると図 2(d )の矢印で示すように多くの結晶粒で，キンク境界の解析に用いた試料は，周りの結晶粒からのにキンク変形が生じていることを確認した．このように拘束を弱め，キンク導入を促進するために意図的に気孔を導Ti3SiC2 配向焼結体を用いることで，高温環境でキンク境界入した配向ポーラス焼結体(15)(16)を用いた．配向ポーラス焼を意図的に導入することができ，MAX 相セラミックスのキ結体を作製するために，スラリーには Ti3SiC2 粉末とポリメ

ま て り あ 第61巻 第 9 号(2022)
Materia Japan

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図3

Ti3SiC2 配向ポーラス焼結体を1200°Cで高温圧縮した試料の(a)変形後の結晶方位分布図((b)で示したカラーキーに従い，測定面法線方向の結晶方位を示している)．(c)キンク変形が生じた結晶粒の解析線における回転軸分布．論文(15)(16)から改変して引用．

タクリル酸メチル(polymethyl methacrylate: PMMA)粒子を混合させた．PMMA はスペーサーとして入れており，SPS.

おわりに～キンク強化の可能性について～による焼結の際に焼結温度よりも低い温度で保持して焼き飛ばすことで，焼結体に意図的に気孔を導入する役割を持つ．

おわりに MAX 相セラミックスにおけるキンク強化の可得られた配向ポーラス焼結体から90°試料を作製し，SPS 装能性について述べる．松井らは，Ti3SiC2 ランダム焼結体に置内で 1200 °C ，真空環境下で圧縮負荷を施した．図( a )高温圧縮クリープ試験で導入されたキンク境界近傍に，ナノは，高温圧縮負荷を施した配向ポーラス焼結体の荷重負荷方

インデンテーションによる力学特性評価を行い，圧子圧入に向と平行な面を測定面とした結晶方位分布図である．図 3より形成した底面すべり線がキンク境界で止められているこ(b)の標準ステレオ三角形のカラーキーに従い，測定面法線とを示した(17) ．この結果は，高温で導入されたキンクが室方向の結晶方位を示している．図 3( a )中の白矢印で示すよ温での塑性変形の抵抗，すなわち強化に寄与することを示唆

うに PMMA に起因した気孔が導入されていること，ほぼ全するものである．ての結晶粒が( 0001 )面と垂直方向の面が測定面に現れてい導入されたキンク境界がその後の塑性変形の抵抗になりうることから，本手法により配向ポーラス焼結体の作製が可能るのかを定量的に評価するためには，結晶配向させた試料をであることが示された．また，図 3( a )の白四角で囲んだ結用いることが有効である． Hagihara らは， Mg Zn Y 合金

晶粒の拡大像である図 3 ( c )で示すように結晶の c 軸に垂直の一方向凝固材を用いてキンクを導入した後，これらが底面方向からの圧縮によって多くの結晶粒がキンク変形しているすべりの活動の抵抗になりうるのかを検証し，キンク強化量ことが明らかになった．図中の上下方向の矢印で示す点線上の定量的な評価を行った(18) ．本報で紹介した配向焼結体をの測定点間の回転角の変化を左のグラフに示した．同一結晶用いることができれば，MAX 相セラミックスのキンク強化粒内に複数の回転角のピークが確認できる．結晶方位分布図についての議論を進めることが可能である．しかし，MAXとの対応からこのピーク位置がキンク境界であると判断し相セラミックスのような層状物質におけるキンク変形には，た．複数の結晶粒内のキンク境界の共通回転軸と回転角を評

最初にも述べたようにデラミネーションを伴う場合が多い．

価した結果，共通回転軸は c 軸と垂直な方位を有しているこ

キンク強化量を単独で評価するためには，デラミネーションと，回転角は図 3( c )にも示しているように様々な角度を有を考慮に入れた評価を行わないといけない．そこで，配向焼することが明らかになった．これは，MgTMRE 合金中の結体と配向ポーラス焼結体を用いることが，キンク強化量をLPSO 相内に導入される主なキンク境界の特徴と一致してお評価するのに有効であると考え，現在，評価を進めているとり，六方晶系の結晶構造を有するミルフィーユ物質のキンクころである．

境界の共通の特徴であると言える．

本報では，MAX 相セラミックスを対象としたキンク変形の特徴について紹介した．キンク変形については，多くの研特集

究者がその機構解明等に取り組んでいるが，導入したキンクを強化や強靭化に応用するという研究はあまり行われていな
い．今後，様々な温度域における変形・破壊にキンクがどのように関与するのかについて明らかにすることで，新たな構造用セラミックスへの展開が開けると考えている．
本研究は JSPS 科研費・新学術領域研究「ミルフィーユ構造 の 材 料 科 学 」 ( JP19H05115, JP21H00087 お よ び
JP18H05482 )の助成を受けて実施しました．また，研究の遂行に当たり，北海道大学大学院工学研究院の三浦誠司教授，北海道大学大学院工学院・大学院生の白紙悠之氏(現株 式 会 社 C&A, 東 北 大 学 金 属 材 料 研 究 所 ) ， 橋 本 菜 々 氏(現株式会社 LIXIL )ならびに物質・材料研究機構の森田孝治博士，鈴木達博士，目義雄博士に多大なるご協力をいただきました．ここに特記して謝意を表します．

文( 8 ) M. W. Barsoum, A. Murugaiah, S. R. Kalidindi, T. Zhen and Y.
Gogotsi: Carbon, 42(2004), 14351445.
( 9 ) S. Misra and J.-P. Burg: Tectonophysics, 548
549(2012), 2233.
(10) C. Hu, Y. Sakka, S. Grasso, T. S. Suzuki and H. Tanaka: J.
Am. Ceram. Soc., 94(2011), 742748.
( 11 ) 佐藤仁俊，平野洋人，鈴木 達，石垣隆正，目 義雄粉体工学会誌，51(2014), 163168.
(12) Y. Uchida, K. Morita, T. S. Suzuki, T. Nishimura, K. Fujimoto
and Y. Sakka: Mater. Trans., 59(2018), 829834.
( 13 ) 白紙悠之，池田賢一，三浦誠司，森田孝治，鈴木 達，目義雄粉体および粉末冶金，67(2020), 607
614.
(14) M. Yamasaki, K. Hagihara, S. Inoue, J. P. Hadorn and Y.
Kawamura: Acta Mater., 61(2013), 20652076.
( 15 ) 橋本菜々，池田賢一，三浦誠司，森田孝治，鈴木 達，目義雄日本金属学会誌，85(2021), 256
263.
(16) N. Hashimoto, K. Ikeda, S. Miura, K. Morita, T.S. Suzuki andY. Sakka: Mater. Trans., 63(2022), 133140.
( 17 ) 松井大輝，森田孝治，寺田大将，池田賢一，三浦誠司日本
金属学会誌，85(2021), 439448.
(18) K. Hagihara, M. Yamasaki, Y. Kawamura and T. Nakano:Mater. Sci. Eng. A, 763(2019), 138163.

献★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
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281.
( 2 ) M. W. Barsoum and M. Radovic: Annu. Rev. Mater. Res., 41(2011),195
227.
( 3 ) Z. M. Sun: Int. Mater. Rev., 56(2011), 143166.
( 4 ) M. W. Barsoum, D. Brodkin and T. El-Raghy: Scr. Mater., 36(1997), 535541.
( 5 ) M. W. Barsoum and T. El-Raghy: J. Am. Ceram. Soc., 79(1996), 1953
1956.
( 6 ) Z. M. Sun, H. Hashimoto, Z. F. Zhang, S. L. Yang and S. Tada:Mater. Trans., 47(2006), 170174.
( 7 ) http://www.mfs-materials.jp/

ま て り あ 第61巻 第 9 号(2022)
Materia Japan池田賢一

九州大学 大学院総合理工学研究科 博士後期課程修了
2001 年 4 月 九 州 大 学 大 学 院 総 合 理 工 学 研 究 院助手2007 年 4 月 九 州 大 学 大 学 院 総 合 理 工 学 研 究 院
助教
2014年11月現職
専門分野材料強度学，材料組織学◎金属やセラミックス等の結晶性材料の力学特性と微細組織の関係ならびに金属材料の組織形成機構に関する研究に従事．各種顕微鏡法を用いた微細組織評
価と様々な力学特性評価を組み合わせて現象解明に取り組んでいる．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

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