ホットプレスによるB4C–グラフェンナノプレートレット複合材料の作製
B4C–Graphene Nanoplatelet Composite Fabricated by Hot Pressing of Heterogeneously Co-Precipitated Powder Mixtures
ホウ化炭素(B4C)セラミックスは、焼結性の低さと脆性のため、実用上の応用が限られていた。本研究では、B4C–グラフェンナノプレートレット(GNP)複合材料を、異種共沈粉末混合物をホットプレスすることで作製した。界面活性剤としてセチルトリメチルアンモニウムブロミド(CTAB)を使用し、B4Cマトリックス内でのGNPの均一分散を実現した。CTABはGNPに正電荷を付与し、負電荷を持つB4C粒子との静電的共沈を可能にし、層状ハイブリッド構造を構築する。GNP含有量は、B4C複合材料の微細構造と機械的特性に大きな影響を与えた。1 wt% GNPで相対密度99.65%、ビッカース硬度33.5 GPa、曲げ強度488 MPaの最大値が得られ、2 wt% GNPで破壊靭性が4.89 MPa・m1/2のピーク値に達し、単体B4Cと比較して63.5%向上した。この破壊靭性の向上は、亀裂偏向、亀裂ブリッジング、GNP引き抜き、階段状破壊、ジグザグ亀裂伝播などの複数の強化メカニズムに起因する。本研究は、均一に分散したセラミック–グラフェン複合材料を調製するための実用的な戦略を提供する。
- ホットプレス法によりB4C–グラフェンナノプレートレット複合材料を作製し、1 wt% GNPで相対密度99.65%、ビッカース硬度33.5 GPa、曲げ強度488 MPaを達成
- 2 wt% GNPで破壊靭性4.89 MPa・m1/2を達成し、単体B4Cと比較して63.5%向上
- CTABを界面活性剤として用いた静電的共沈法により、B4Cマトリックス内でのGNPの均一分散を実現
本研究成果は、B4Cセラミックスの本質的な弱点である脆性をグラフェンナノプレートレット複合化により大幅に改善した点で、構造材料分野における実用化の可能性を広げるもの。破壊靭性63.5%向上、曲げ強度488 MPaという具体的な数値が示されており、航空宇宙・防衛・耐摩耗部材など高強度セラミックス市場での応用が期待される。ただし、実用化までのスケールアップや量産コストの検証はまだ不明であり、投資判断には市場導入のシナリオを慎重に見極める必要がある。