氏名　セリス　ペドロ　ベルナルド
学位の種類　博士（工学）
学位記番号　博甲第54号
学位授与の日付　平成4年3月25日
学位論文題目　Design and Production of Light Weight （Si3Zr5） 16H Type High Melting Point Intermetallice （Si3Zr5）16H型計量・高融点金属間化合物の設計と作製）
論文審査委員
　主査　助教授　石崎　幸三
　副査　教授　田中　紘一
　副査　教授　小島　陽
　副査　教授　弘津　禎彦
　副査　東京工業大学教授　鈴木　朝夫

• 論文目次
• 論文要旨

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CONTENTS
There is much more learning than knowing in the world.
Thomas Fuller, M.D.,
Gnomologia（1732）, 4901.
ABSTRACT -III-
CURRICULUM VITAE -VIII-
LIST OF PUBLICATIONS RELATED TO THIS RESEARCH -X-
GENERAL LIST OF PUBLICATIONS -XI-
ACKNOWLEDGMENTS -XII-
Chapter 1
Introduction: The Ultimate Frontier of Materials Engineering　p.2
1.1.Intermetallics as the last frontier of high temperature structural materials.　p.2
1.2.The next generation of intermetallic compounds: scope and objectives of this work.　p.3
1.3.Crystal structure notation and symbols used.　p.7
Chapter 2
Equipment, Materials, Experimental Techniques and Analysis Methodology　p.12
2.1.Main characteristics of materials used　p.12
2.2.Equipment characteristics, applications and basic methodology applied in this work.　p.14
2.3.Measurement methods of basic physical properties: density,mechanical properties, Debye characteristics temperature, and melting point.　p.18
2.4.Production of intermetallic compounds.　p.24
2.5.Crystal structure related calculations and mathematical equations applied.　p.31
Chapter 3
Search for High Melting Point Intermetallics　p.40
3.1.Dependencs of melthing point and density on atomic bond and crystal structure.　p.40
3.2.In search of new intermetallics.　p.46
3.3.The phenomenon of meltiong: an estimation of the melting point of intermetallics.　p.49
Chapter 4
Advantages of the（Si3Zr5）16H Crystal Structure　p.58
4.1.Crystal structure in the Si-Zr system.　p.58
4.2.The （Si3Zr5）16H crystal structure.　p.66
4.3.Near neighbor diagrams.　p.70
4.4.Comparison to carbide's crystal structures.　p.73
Chapter5
Design of Intermetallic Compounds by Atomic Substitutions　p.78
5.1.The Si-Zr chemical bond.　p.78
5.2.Influence of atomic substitutions: atmic radius and coordination number.　p.82
5.3.Partial atomic substitutions: ternary and quaternary intermetallic compounds.　p.86
Chapter 6
Summarization and Conclusions　p.94
REFERENCES　p.97
Appendix 1
Figures and Tables Related to This Work　p.106
Appendix 2
Program "Nearest" to Calculate Interatomic Distances　p.116
Appendix 3
Program "Structure" to Calculate Integrated Intensities of Diffracted X-rays　p.134

　超耐熱材料の分野で、最も未知の材料は金属間化合物である。高温構造材料は、高温で高強度。高破壊じん性、高延性、高信頼性などの特性を持つことが要求されている。現在実用化されている材料に、900～1100Kで使用できる超合金があるが、1300K程度で使用できる窒化ケイ素、サイアロンのようなセラミックスも実用化されつつある。これら既存の材料の問題点は前者においては使用可能温度が低いこと、後者では破壊じん性や信頼性が低いことである。従って、より高温で破壊じん性や信頼性に高い材料の研究、開発が望まれている。金属間化合物はそれらの要求を満たす可能性の高い材料である。
　無数の可能な組合せのある金属間化合物のなかから高温材料として有望な金属間化合物を捜す条件として、融点が高いことが必要とされる。本研究は融点の概算法を中心に有望な金属間化合物の捜し方を議論し、実際に数種の新しい金属間化合物の作製及び融点測定を行った。
　第1章「序論」では、金属間化合物とはどういうものであるかを説明し、本研究の目的を述べた。
　第2章「実験方法」では、本研究で使用したアーク・プラズマ金属間化合物合成装置とその方法、融点概算に必要なデバイ温度測定のための弾性定数測定装置とその方法、レーザ粒子融点測定装置とその方法について述べた。
　第3章「高融点金属間化合物の追及」では、高温構造材料として、有望な結晶構造とその結晶構造を持つ化合物の捜し方について記述した。
　超耐熱材料に必要とされる基礎的な特性は高融点であり、次世代に使われる新しい金属間化合物は融点が2300Kを越るべきであると思われる。また、航空機などの輸送用機器材料には軽量化が求められている。フライシャーの最大融点、最低比重の分布図により、高融点を持ち得るとともに比重が5～7程度の結晶構造は、16H型であるとが判明した。16H型結晶構造を構成する原子の組合せは無数にあるが、実際には数種しか報告されいていない。そこで、ペティフォーの結晶構造マップより、可能な原子の組合せを調べ、最良の特性を持つ可能な原子の組合せを調べ、最良の特性を持つ可能性のある金属間化合物としてSi3Zr5を見つけ出した。それが高温構造材料として使用し得るかどうか評価するためには、まず融点を調べる必要性がある。しかし融点が2300Kを越える高融点材料では、融点の測定が非常に困難となるため、本研究では融点の概算法についても調べた。リンデマンの法則を用いて、金属間化合物のヤング率から求められたデバイ温度を使い、融点の概算を行った。Si3Zr5金属間化合物は比重が6.00と低く、融点の測定結果は2500Kとなり、概算方法が適当であることを確かめた。
　第4章　「（Si3Zr5）16H型結晶構造の長所」では、Si-Zr系、16H型結晶構造について詳しく記述した。
　Si-Zrシステムでは、同じ元素の組合せで少なくとも7つの金属間化合物が発見されている。これら7つの金属間化合物について、SiとZrの原子間距離、配位数、原子結合数、結合間の角度などを計算し、それらの因子と融点との関係を調べた。これら全ての金属間化合物では、Si-Zr間結合距離がほとんど変わらないにもかかわらず、16H型結晶構造ではその結合数が極端に増え、これが16H型結晶構造の高融点の原因になると考えられる。
　そこで、（Si3Zr5）16H型結晶構造を基本とし、原子置換により三元系の新金属間化合物を設計することにより、特性を改良し、軽量化・高融点化を可能にすることが予想される。
　第5章「原子置換による金属間化合物の材料設計」では、チタン及びイットリウムの原子置換による新金属間化合物の設計について詳しく記述した。
　16H型結晶構造でSiまたはZrを他の原子に置換した化合物を調べ、ピアソンの近接原子図（ニアー・ネイバー・ダイアグラム）の還元した歪係数などを評価し、16H型三元系の金属間化合物の特性を改良するための有望な原子としてチタンとイットリウムを見つけ出した。チタン置換の場合には、異原子間結合数が増え、比重が下がり、一方イットリウム置換の場合には配位数が増え、比重も下がることを見つけ出した。つまり、最良の効果を得るため、一定の結晶面でジルコニウムをチタンに5分の2だけ置換した金属間化合物、また、別な結晶面中のジルコニウムをイットリウムで置換した新金属間化合物を考え出だした。
　これらは高い融点を持ちながら、Si3Zr5より比重が低い、Si3Ti2Zr3やSi3Y3Zr2という金属間化合物である。これらの新金属間化合物の結晶構造をX線回折で調べ、原子間距離、原子位置等が予見通りであることを確認した。
　第6章「総括」では、本研究で得られた結果を要約するとともに、成果は3元系金属間化合物の材料設計を可能にした新しい観点による材料設計法の応用できることも記述した。
　また本論文には本研究の基本となる、原子間距離などの計算方法と、X線回折強度の計算方法及び本研究のため作成したそれらの計算のためのコンピュータ・プログラムを付録として付け加えた。