Discovery of the shape controllable cavity surrounded by facets in ceramics

セラミックス中に発現する形状制御可能なキャビティーの発見

芹澤 弘幸  

Serizawa, Hiroyuki

負結晶とは、単結晶中に発生するキャビティーで、それ自体が格子面によって囲まれている実態のない結晶のことを言い、鉱物学の分野ではよく知られた存在である。我々は、UO中でのヘリウム挙動に関する実験を進めていて、ヘリウムガスバブルが、熱処理の過程でこの負結晶へと変化することに気が付いた。また、熱処理温度を変化させた試料をそれぞれ詳細に観察するうちに、負結晶の形状が3種類あり、内圧の変化によって、その形状が決まることが判明した。格子面の成長で考えられる立方八面体のキャビティーは、発見することができなかった。これは、格子面の表面積が異常に大きくなること、及びギブス・トムソン効果によるものではないかと推察される。本研究で、表面自由エネルギーの小さいがよりも早く成長し始めることが判った。この現象を我々はSTEP FREE ENERGY MODELによって説明した。我々は現在、静電加速器を用いてイオン注入したヘリウムを析出させることによりCeO薄膜中に発現させる試験を実施しており、既にナノメーターサイズの負結晶を発生させることができることを確認している。

My investigation on cavities in ceramics was triggered by the unexpected discovery of a polyhedral cavity in a UO matrix. The SEM image that attracted my attention was a cavity observed in the fracture surface of a single crystal of UO that was heat-treated in helium at 90 MPa, followed by annealing at 1573 K for 1 h. It was clear that the cavity was a negative crystal that was formed by the precipitation of helium during heat treatment after Hot Isostatic Pressing (HIP) injection. In a series of experiments, I noticed that the shape of the negative crystal changes depending on the heat-treatment history. A truncated octahedron-type, an octa-triacontahedron-type, and a pentacontahedron-type negative crystal were observed. Our study implies that the shape of the negative crystal should change depending on the helium inner pressure enclosed in the negative crystal.