Fabrication of Transparent Polycrystalline Cubic Silicon Nitride: Physical Properties and Phase Boundary

Norimasa NISHIYAMA
2020 The Review of High Pressure Science and Technology  
Transparent nanopolycrystalline cubic silicon nitride (g-Si 3 N 4 ) was fabricated under high pressure and temperature using Kawai-type apparatus. Vickers indentation tests were carried out and the hardness value of 35 GPa was obtained. Fracture toughness was estimated based on length of crack generated from the Vickers indentation prints and the estimated value is 3.5 MPa m 1/2 , which is similar to that of polycrystalline alumina. Elastic moduli of this material were measured by Brillouin
more » ... ed by Brillouin spectroscopy. These results show that cubic silicon nitride is one of the third hardest materials. We confirmed excellent thermal metastability of this material in air at temperatures up to 1,460°C. Low-temperature heat capacities of b-and g-Si 3 N 4 were measured and the equilibrium phase boundary between these two phases were calculated. [silicon nitride, transparent, hardness, thermal metastability, heat capacity, phase boundary] . はじめに 窒化ケイ素(Si 3 N 4 )は,ボールベアリングや切削 工具として産業上多用されているセラミックスであ る。窒化ケイ素セラミックスは高融点で,高硬度と 高靭性を合わせもつ。高融点および高硬度の要因は 窒化ケイ素の共有結合であり,高靭性はその微細組 織に起因する。窒化ケイ素は,常圧下において,と もに六方晶系の a 相と b 相の結晶構造をとる。一 般的に b 相はより高温で出現することが知られて いる。窒化ケイ素セラミックスは難焼結性であるた め,a 相の粉末に酸化物の焼結助剤を混合し,高温 で焼成することによって焼結する。このとき a 相 の一部が b 相に相変態し,六方晶系の c 軸方向に延 びた長柱状の結晶となる。これが亀裂発生時に架橋 となりセラミックス全体を強化する。これは窒化ケ イ素の自己強化と呼ばれ,高靭性の原因である。 a 相および b 相の窒化ケイ素は,13 GPa 以上の 高圧力下および 1,800°C 程度の高温下で,立方晶ス ピネル型構造の g 相へ相変態することが 1999 年に ドイツ・ダルムシュタット工科大の研究グループに よって発表された[1] 。a 相および b 相においては 1 つのシリコン原子が 4 つの窒素原子に囲まれてい る 4 配位であるのに対し,g 相においてはシリコン 原子の 3 分の 2 が 6 個の窒素原子に囲まれる 6 配位, 残りが 4 配位である。高圧相である g 相は,b 相よ りも 26高密度である。さらに,この窒化ケイ素 g 相はダイヤモンド,立方晶窒化ホウ素に次ぐ第 3 の 超硬質物質である可能性が指摘され[2],多くの研 究が行われてきた。しかしながら,過去の研究では 硬さや破壊靭性測定を行うための mm サイズの多 結晶体を作るのは困難であった。著者らは,川井型 マルチアンビル型装置を用いて,直径 2 mm の窒化 ケイ素 g 相多結晶体を合成した[3]。この試料を用 いて,この物質の基礎的な性質を測定したので,本 稿でその研究成果を紹介する。
doi:10.4131/jshpreview.30.210 fatcat:gsuvll5u3jfntdy55vn677zfnu