ここでは微粒子のSiC添加による緻密化されたナノ複合材料を製造し、焼結メカニズムの解明及びナノSiC分散相がアルミナの微細構造、機械的特性、破壊形態に及ぼす影響を調べることである.材料として、マトリックスに、-アルミナを、添加材に0.3m -SiCを使用した.SiCの添加量は5vol%である.粉末混合はポリエチレン容器内でメタノールの溶媒中で24時間湿式混合した.その後、均一に混合した混合粉末をアルゴンガス雰囲気下、ホットプレスで30MPaの圧力、1000-1800℃の温度域で焼結し、焼結体を作製した.焼結挙動を分析するためアルミナ単体と複合材料の相対密度に及ぼす焼結温度の影響を調べた.アルミナは、1200℃で急激な緻密化が始まり、1400℃以上ではほぼ完全に緻密化したが、アルミナにSiCを分散させた複合材料では、1400℃で緻密化が始まり、1600℃以上では完全に緻密化した.アルミナマトリックスの平均粒径の温度依存性調べた結果、アルミナは焼結温度の増加につれて急激な粒成長を表し、特に1800℃では、約30mの大きさとなった.

　一方、複合材料では、焼結温度が増加しても粒成長が非常に抑制された.TEM観察と共に行ったEDS分析の結果、微粒子のSiCはナノサイズでアルミナマトリックスの粒内に、より大きいSiCは粒界に均一に分散されており、ナノ複合材料となっているのが確認された.以上のナノ複合化の効果が材料特性に及ぼす影響を調べるために強度試験を行った.焼結温度の増加につれ密度は増加し、それに従う強度は徐々に増加した.しかし、最大強度を示す1600℃以上では、粒成長に起因する大きい粒子が多数存在するために強度の低下が生じた.アルミナ単体の500MPaに比べ複合材料は750MPaの高い強度を示しており、複合材料での強度の向上はナノ複合化の効果である.この結果は、ヤング率と硬度が高いSiC粒子のナノ分散効果によってアルミナ粒界の移動が妨害され、粒成長の抑制、平均粒径の微細化、粒径のばらつきが少ない均一な微細構造のためである.その上、実際に破壊が起こり、き裂の進展がナノ粒子に衝突する際、SiC粒子によってき裂の偏向が発生し、き裂偏向によるタフニングが生じることによる破壊靭性向上の寄与により強度も増加した.

　これらの実験結果から、アルミナに微粒子のSiC粒子を分散したナノ複合材料の製造が可能となり、ナノ分散相としてのSiC粒子の存在によってアルミナ粒子の平均粒径の減少と粒成長制御に効果があり、分散相の強化による強度、破壊靭性の向上が見られた.

　ここでは、ナノ粒子酸化物とミクロ粒子酸化物の分散相を同時に複合分散させ、ナノとミクロの粒子分散ハイブリッド構造が複合材料の特性に及ぼす影響を試みた.

　そこで、状態図よりアルミナと希土類系の酸化物が、アルミナとの反応により新しい化合物を生成することに着目し、Y₂O₃を用いてYAG相を生成させ、析出したミクロサイズのYAG相と共にナノ粒子SiCが分散されたハイブリッド複合材料を製造し、微細構造が力学的特性に及ぼす影響を調べた.材料は、アルミナ粉末をマトリックスとし、添加剤として5vol%SiCとY₂O₃粉末を使用した.複合材料の製造はホットプレスで1000-1800℃の温度域、0-20時間の焼結条件で行なた.その際、析出したYAG相は20vol%であった.複合材料での2次相の生成を分析するために、X-線分析を行い、その結果、1200℃で焼結した複合材料では、添加剤として使用したY₂O₃相がそのまま観察されている.1400℃以上の焼結温度では、Y₂O₃とAl₂O₃が反応し、YAG(Yttrium Aluminum Garnet)相が析出生成され、2次相として存在した.

　複合材料で存在する分散相の分散状態をTEMと共にEDSで分析した結果、アルミナ中に、YAG相がミクロサイズで存在した.微粒子のSiCはナノサイズでアルミナ相とYAG相いずれの粒内に分布し、ミクロ粒子とナノ粒子が同時に分布したハイブリッド構造になっていた.さらに1600℃で焼結時間を変えてAl₂O₃/SiC/YAG複合材料での微細構造の制御効果を詳しく調べた.アルミナ単体では焼結時間の増加につれ顕著な粒成長が見られ、20時間では約12mの大きさであった.しかし、複合材料では焼結時間の増加にもかかわらず、アルミナ粒子の粒成長は見られなかった.

　このような傾向は1400℃でも同じ傾向を示した.これらの結果から、アルミナへのナノSiC粒子添加やミクロYAG相の生成が粒成長の制御に効果があったことが分かった.このような微細構造の制御効果が強度に及ぼす影響を調べた結果、アルミナ単体の500MPaにくらべ、ハイブリッド複合材料では850MPaをもたらした.この高強度化の理由として、ナノとミクロ粒子の同時分散複合化による粒子の微細化と均一化にあり、さらに、分散された2次相の強化によることである.これを確認するためにき裂の進展様子をTEMによって観察した結果、き裂進展はナノSiC粒子によってき裂の偏向が発生し、その上、ミクロYAG粒子によってブリッジング現象も生じていた.また、TZ-3YZrO₂粉末を用いAl₂O₃/5%SiC/ZrO₂のハイブリッド複合材料を製造し、特性を比較した結果、Al₂O₃/5%SiC/60%ZrO₂複合材料で1.6GPaの高強度が得られた.この高強度化は、SiC添加による強化に加え、さらにZrO₂相の応力誘起相転移によるき裂先端におけるt-ZrO₂のm-ZrO₂への相転移がもたらす破壊応力の緩和に起因するものである.

　これらの実験結果から、ナノ粒子のSiCとミクロYAG、もしくはZrO₂相が分散したハイブリッド構造を持つ複合材料の製造が可能となった.このような複合材料では、分散相の粒成長制御効果によりアルミナマトリックスの平均粒径が減少し、粒径のバラツキも小さい均一な微細構造となり、強度、破壊靭性の向上が可能になった.

　セラミックス複合材料の力学的特性及び破壊機構は分散相の粒子形態(等軸状、棒状、針状)によって大きく異なるためにここでは、アルミナにLa₂O₃を添加し、焼結中Al₂O₃とLa₂O₃との反応により細長のランタン--アルミナ(LaAl₁₁O₁₈)棒状粒子が生成した粒子分散複合材料を製造し、分散相がアルミナの微細構造、力学的特性、破壊特性に及ぼす影響を調べることにある.複合材料の作製は、アルミナ粉末とLa₂O₃粉末を用い、ホットプレスで1400-1800℃温度域、1時間の焼結条件で行った.焼結中Al₂O₃とLa₂O₃との反応によるランタン--アルミナ(LaAl₁₁O₁₈)相を析出させた.その際、析出した相は0-20vol%であった.また、破壊靭性の定量化と共にき裂前方に発生する微視割れを検出する目的で試験片の一面にAEセンサーを取付けAE(Acostic Emission)法を用い、複合材料の高靭化機構を調べた.X-線解析を行った結果、1500℃以上の焼結条件で、La₂O₃とAl₂O₃が反応し、ランタン--アルミナ相が生成され、2次相として存在した.そこで、このように生成されたランタン--アルミナ相の粒子の形態を確認するためにSEMにより微細構造の観察した結果、アルミナ粒子は等軸粒子で存在し、生成された分散相は細長の棒状粒子で分布されている.このような棒状粒子の形態は複合材料の破壊靭性、強度などに大きな影響を及ぼした.ランタン--アルミナ相の増加につれ強度は900Mpa、破壊靭性は7Mpamまで増加した.TEMによるき裂進展の様子を観察した結果、複合材料ではAEが発生した応力拡大係数点から最高のAE事象数のピーク点に対応する応力拡大係数点までにマイクロクラッキングの発生、クラックディフレクッションによるタフニングが存在し、負荷された応力を遮蔽し、き裂先端での応力拡大係数を低下させ、見かけの破壊靭性を向上させた.その上、棒状粒子が分散した複合材料では、強化された2次相の存在するのでブリッジングによるタフニングがあり、予き裂内で析出した分散相などの粒子が架橋することでき裂の開口を妨げ、タフニングが生じた.これに対してAl₂O₃単体では、材料固有の破壊靭性(KIn)は、複合材料に比べ低く、さらに、マイクロクラッキングによるタフニングはほとんとなく、若干のブリッジングによるタフニングがあった.このことから、複合材料での高靭化は存在する分散相の粒子形態に大きく依存し、等軸分散相に比べ、棒状分散相の方がより高靭化に寄与することが分かった.これらの実験結果から、希土類の酸化物でLa₂O₃を用い、焼結中Al₂O₃との反応による2次相を析出分散させることによりLBA相が生成し、棒状粒子の形態でアルミナマトリックス内に存在した複合材料ができ、棒状粒子でのブリジングによるタフニングの寄与により、破壊靭性の向上をもたらした.