ナノ結晶・バイオミメティック構造の超長半透明ガラスセラミック

Ultrastrong Translucent Glass Ceramic with Nanocrystalline, Biomimetic Structure.

• Le Fu
• Ling Xie
• Wenbo Fu
• Shuanglin Hu
• Zhibin Zhang
• Klaus Leifer
• Håkan Engqvist
• Wei Xia

抄録

透明/透光性ガラスセラミックス（GC）は、生物医学、装甲、エネルギー、および構造物の分野で幅広く応用されています。しかし、光学特性が改善されたガラス転移温度計は、従来の焼結型フルセラミックスに比べて機械的特性が損なわれているのが現状である。我々は、アモルファスSiOマトリックスに埋め込まれた単結晶ZrOナノ粒子（NP）の微細構造を持つZrO-SiOナノ結晶ガラスセラミックス（NCGC）を調製することにより、高強度で透光性のGCを得る方法を提示する。65%ZrO/35%SiO（モル比65Zr）の組成を持つZrO-SiO NCGCは、平均曲げ強さ1GPaを達成しました。これは、これまでに報告されたGCの曲げ強さの中で最も高い値の一つである。ZrOナノ粒子は、ZrOナノ粒子とSiOマトリックスの間に薄い（2〜3nm）アモルファスZr/Si界面層が形成されているため、SiOマトリックスと強く結合している。Si原子のZrOナノ粒子への拡散により、Zr-O-Si超格子が形成された。電子線トモグラフィーの結果、ZrOナノ粒子の一部が一方向に接続され、その場でZrOナノファイバー(長さ約500nm)を形成していること、また、ZrOナノファイバーが3次元全てにおいて秩序正しく積層されていることがわかった。ZrOナノファイバーのナノアーキテクチャは、皮質骨の鉱物化コラーゲン線維のアーキテクチャを模倣しています。強い界面結合により、SiOマトリックスからZrOナノファイバーとNPによって構築された3次元ナノアーキテクチャへの効率的な荷重伝達が可能になり、3次元ナノアーキテクチャが外部荷重の大部分を担っている。この2つの要因が相乗的に作用して、65Zr NCGCの高強度化に貢献している。この研究により、微細構造と機械的強度の関係についての基本的な理解が深まり、他の高強度半透明GCの設計と製造の指針となる可能性がある。

Transparent/translucent glass ceramics (GCs) have broad applications in biomedicine, armor, energy, and constructions. However, GCs with improved optical properties typically suffer from impaired mechanical properties, compared to traditional sintered full-ceramics. We present a method of obtaining high-strength, translucent GCs by preparing ZrO-SiO nanocrystalline glass ceramics (NCGCs) with a microstructure of monocrystalline ZrO nanoparticles (NPs), embedded in an amorphous SiO matrix. The ZrO-SiO NCGC with a composition of 65%ZrO/35%SiO (molar ratio, 65Zr) achieved an average flexural strength of 1 GPa. This is one of the highest flexural strength values ever reported for GCs. ZrO NPs bond strongly with SiO matrix due to the formation of a thin (2-3 nm) amorphous Zr/Si interfacial layer between the ZrO NPs and SiO matrix. The diffusion of Si atoms into the ZrO NPs forms a Zr-O-Si superlattice. Electron tomography results show that some of the ZrO NPs are connected in one direction, forming in situ ZrO nanofibers (with length of ∼500 nm), and that the ZrO nanofibers are stacked in an ordered way in all three dimensions. The nanoarchitecture of the ZrO nanofibers mimics the architecture of mineralized collagen fibril in cortical bone. Strong interface bonding enables efficient load transfer from the SiO matrix to the 3D nanoarchitecture built by ZrO nanofibers and NPs, and the 3D nanoarchitecture carries the majority of the external load. These two factors synergistically contribute to the high strength of the 65Zr NCGC. This study deepens our fundamental understanding of the microstructure-mechanical strength relationship, which could guide the design and manufacture of other high-strength, translucent GCs.