ライス大学が開発した新しい製造技術は、低圧でダイヤモンドを安定させることができ、密実で耐久性のある複合材料を生み出します。この研究は『マテリアルズ・トゥデイ』誌に発表され、粉末材料を組み合わせることで従来の製造障壁を克服する方法が示されています。研究では、超音速の弾丸がダイヤモンドに衝突した際、百万分の一秒で石墨に変わる様子が記録されており、この迅速な相変化が動エネルギーを吸収することができるとされています。研究の主著者であるアビジット・ビスワス（Abhijit Biswas）は、「このプロセスで作成された複合材料はほとんど加工できず、靭性を持っています。なぜなら、その内部にダイヤモンド粒子が分散しているからです。これは、航空宇宙、防衛、その他の極端な条件に直面する技術のために、より強固な材料を設計するのに役立つ可能性があります。」と述べています。
小型のダイヤモンド粒子は安価で製造が容易ですが、それを大きな固体形状に結合するのは非常に困難です。焼結法は、熱と圧力を利用して緩い粒子を固体に融合させます。高温では、ダイヤモンドは自然に柔らかい石墨に分解しますが、極めて高い圧力下でその形状を保持しなければなりません。標準的な高圧高温法では多結晶ダイヤモンドを製造できますが、必要な圧力が物体の物理的サイズを制限します。
新しい製造技術がダイヤモンド材料の応用に新たな可能性を開く
巨大な圧力を使用せずにダイヤモンドの完全性を保持するために、研究チームは多材料混合物を設計しました。彼らは、立方体窒化ホウ素を細かいダイヤモンド粒子に追加しました。なぜなら、これら二つの物質は類似の物理特性を持っているからです。また、加工過程で混合物を安定させるためにコバルトを接着剤として追加しました。科学者たちはその後、この混合粉末を圧縮するために火花プラズマ焼結技術を使用しました。これは、粉末を密実な固体に融合させるために同時に熱と圧力を加える迅速な方法です。この焼結法により、ダイヤモンド粒子が連続した立方体窒化ホウ素構造に包まれ、コバルトが材料内部に均等に分布した強靭な塊状複合材料が生成されました。
埋め込まれたダイヤモンド粒子により、この複合材料はほとんど加工できません。この技術は極端な圧力を回避するため、ダイヤモンドベースの部品の大規模生産に実用的な方法を提供します。
チームは、高速衝突実験を通じてこの複合材料の機械的限界を評価しました。「研究者たちは、直径1-4ミリメートルの小さな金属弾丸を超音速で複合材料に発射しました」とライス大学はプレスリリースで説明しています。音速の7倍を超える速度で衝突した際、複合材料は完全性を保ち、破壊に抵抗しました。より大きな速度の弾丸に衝突されたとき、材料は破裂しました。破損状況を研究するために、チームは破裂面を分析し、分子動力学のコンピュータシミュレーションを行い、原子の動きを追跡しました。「極端な衝撃が微秒以内にダイヤモンドを石墨に変えることができることを発見しました。これは、通常この変化に関連する遅い熱駆動プロセスを通じてではありません。」
ビスワスは付け加えました。「これは、最も過酷な機械的条件下でのダイヤモンドの挙動を理解する新しい視点を与えてくれました。」
ダイヤモンドと石墨はどちらも純粋な炭素で構成されていますが、それらの異なる原子配列により、ダイヤモンドは硬く、石墨は柔らかくなります。この変化は、標準的な処理で典型的な遅い熱駆動の劣化を通じて起こるのではありません。むしろ、超音速衝撃の力と振動が原子を瞬時に再配置させます。ダイヤモンドが石墨に変わるにつれて、構造の変化が衝突エネルギーを吸収し、材料が厳しい機械的力に耐える能力を高めます。「材料が力を受けたときにどのように構造と相を変え、その強度と硬度がどうなるかを理解することは、将来の保護材料の設計を導くのに役立つでしょう。」とビスワスはまとめました。