本文根據名古屋大學成果發佈編譯整理而成
名古屋大學研究生院工學研究科物質科學專業的松永克志教授和研究生西智廣組成的研究團隊，透過與日本特殊陶器業公司開展聯合研究，成功開發出了強度較原來大幅提高的陶瓷複材，並在電子和原子水平上查清了強調提高的機制。
陶瓷具有優異的耐熱性、硬度和化學穩定性，但主要缺點是易碎。爲克服這個缺點，可組合陶瓷和異質材料製作陶瓷複材來提高強度和韌性。陶瓷複材因其優異的特性，在航空太空和能源等國家基礎產業的各個領域得到了廣泛應用。在路塹工具領域主要用於耐熱合金加工，爲近年來的航空太空產業的隊形變換做出了巨大貢獻。
爲支撐該領域今後進一步隊形變換，需要開發壽命長、能承受更高速的耐熱超硬合金加工的高強度陶瓷複材。本次研究發現，透過在復合陶瓷材料中的異質材料界面偏析摻雜元素，可以大幅提高材料強度，與以往的陶瓷複材相比，強度達到2倍以上。該發現有望應用於塗布材料、積層和薄膜等所有擁有異質材料鍵合界面的材料領域。
此次研究發現，透過在由Al2O3和超硬木料碳化鎢（WC）組成的陶瓷複材中添加微量的氧化鋯（ZrO 2 ），可以大幅提高材料的強度，實施了2GPa以上的高彎曲強度（圖1）。研究團隊利用掃描穿透電子顯微術（STEM）、能量色散X射線光譜儀（EDS）和第一性原理計算，詳細調查了強度提高的終極因數。調查發現，在Al2O3與WC的異質材料界面的一個原子層區域形成了鋯（Zr）偏析層（圖2）。另外還明確了部分添加的Zr在Al2O3與WC的異質材料界面是如何偏析的，以及如何爲提高材料強度做貢獻的，這些發現均有助於開發高強度陶瓷複材（圖3）。不僅是陶瓷複材的開發，這些發現還有望應用於塗布材料、積層和薄膜等擁有異質界面的材料系統的改良。採用該材料的產品已作爲實施新一代加工的最新路塹工具「BIDEMICS」銷售，在耐熱合金的路塹加工中，與以往的路塹工具相比，可實施2倍的高效率加工（圖4）。
圖1：與以往的陶瓷複材的機械特性比較
圖2：Al2O3與WC的異質材料界面的分析結果
圖3：利用第一性原理計算得出的界面破壞強度
圖4：路塹工具的性能比較
論文資訊
題目：Advanced superhard composite materials with extremely improved mechanical strength by interfacial segregation of dilute dopants
期刊：Scientific Reports
DOI：10.1038/s41598-020-78064-0
日語發佈資料
編譯：JST客觀日本編輯部
