寒くなるほど、厳しくなります！これは何の素材ですか？

監査専門家：羅慧謙

中国科学院物理研究所准研究員

忍耐は私たちが子供の頃から聞いてきた言葉です。 「堅固」は強いことを意味し、「強靭」は柔軟であることを意味します。危険や災害などの外部からの挑戦に直面した際の確固たる精神と勇気を表しています。同時に、エンジニアリングの面では、この特性は強度と柔軟性を兼ね備え、変形に対する強い耐性と破損に対する優れた耐性を備えています。したがって、材料の靭性はエンジニアリング分野において重要な指標となります。

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しかし、実際には、材料の強度と延性を両立させることは困難です。プロジェクト実施の過程では、譲歩や妥協が必要になることが多く、両者の重要性とプロジェクトへの適応性を慎重に検討した上で最適な解決策が講じられます。しかしつい最近、科学者たちは新しいタイプの材料を発見し、これまでで最も高い靭性を計測しました。次に、これがどのような素材なのか見てみましょう。

最も丈夫な素材

国際的に権威のある雑誌「サイエンス」に最近発表された英国と米国の科学者による論文によると、クロム、コバルト、ニッケルの3つの金属からなる合金であるCrCoNi（クロムコバルトニッケル合金）を研究したところ、これまでで最も強い靭性を測定したとのことです。また、試験は低温環境で行われたため、この材料は低温分野（航空宇宙など）で重要な役割を果たすことが期待されます。

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この実験では、透過型電子顕微鏡などの最先端の技術を使用して、CrCoNi合金とマンガンと鉄を含む別の合金であるCrMnFeCoNiの初期破壊靭性を20カルビン（-253.15°C）の低温でテストしました。 CrCoNi 合金は最大 495 MPa·m^1/2 (メガパスカル×メートルの平方根) の靭性を示しました。破壊直径が2.25mmに増加すると、靭性は540MPa·m^1/2に増加し、この材料の破壊に必要なエネルギーが非常に高いことを示しています。

20ケルビンでの応力試験中のナノスケールCrCoNi合金の破壊経路とそれに伴う結晶構造の変形を示す顕微鏡画像。

出典: ロバート・リッチー/バークレー研究所

データだけでは明確なアイデアが得られない可能性があるため、比較のために実際の例をいくつか見つけてみましょう。シリコンの靭性はわずか1MPa·m^1/2です。航空機の胴体に使用されるアルミニウムの靭性は35MPa·m^1/2です。最も優れた性能を持つ鋼の靭性は約 100 MPa·m^1/2 ですが、これはこの合金の靭性の 5 分の 1 にすぎません。

強い靭性を備えた高炭素鋼

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一般的に言えば、材料の強度が高くなるほど靭性は低くなり、硬い材料は一般的に脆くなります。たとえば、ダイヤモンドは現在入手可能な物質の中で最も硬い物質の 1 つです。ダイヤモンドに跡を残すことは難しいですが、粉砕することは可能です。しかし、CrCoNi 合金は、両者の間でトレードオフを必要としない点で珍しい合金です。強度が増すほど、靭性も増します。

同時に、温度が材料に与える影響というもう一つのユニークな特徴があります。一般的に、材料の温度が下がると靭性が低下し、脆くなり、破壊に対する抵抗力が弱まります。しかし、 CrCoNi合金材料の温度が下がると、硬度と延性は低下するのではなく、むしろ増加します。

これらの特性により、宇宙船などの極低温環境での使用が期待できます。この合金はこれらの分野で無限の可能性を秘めていますが、現在のこの材料の生産コストは非常に高く、当面は推進することができません。

格子 - 強さと強靭性の源

この合金がなぜこれほど高い強度と靭性を持っているのかを理解するには、まず「結晶」と呼ばれる概念を理解する必要があります。多数の微小な粒子（原子、イオン、分子など）が一定の規則に従って整然と配列された構造を指します。構造粒子や力の違いにより、原子結晶、分子結晶、イオン結晶、金属結晶の4種類に分類されます。

緑色の蛍石結晶

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さまざまな結晶中の微小粒子の配列パターンを鮮明に表現するために、原子を点とみなし、それらの点を線で結んで規則的な空間のグリッドを形成します。これが格子です。

酸化ナトリウムの結晶構造

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物質の強度と靭性を決定するのは、多くの場合その結晶格子です。上記では 4 種類の結晶について説明しました。それらはそれぞれ異なる物理的特性を持ち、それは結晶格子と密接に関係しています。たとえば、金属結晶は優れた延性と機械的強度を備えていますが、これは結晶の格子と密接に関係しています。このような格子は金属イオンと自由電子で構成されています。金属イオンと自由電子の間には強い金属結合があり、金属結合は方向性がなく飽和していないため、金属格子を密に積み重ねることができます。そのため、金属の硬度は一般的に比較的高くなります。金属結合が強くなるほど、硬度も高くなります。

金属に外力が加わると、結晶の層は滑りますが、配置は変化しません。このとき、結晶内を自由に移動する自由電子が潤滑剤として作用し、この相互作用が維持されて壊れにくくなるため、金属は一般に優れた延性を持ちます。例えば、CrCoNi合金は変形すると構造が変化し、驚異的な耐破壊性を発揮します。

293Kと20KでのCrCoNiの破壊を示す走査型電子顕微鏡画像

出典: ロバート・リッチー/バークレー研究所

硬度は、格子の空間構造と、格子を構成する要素間の結合エネルギーに関係することが多い。たとえば、グラファイトとダイヤモンドはどちらも炭素原子で構成されていますが、グラファイトの硬度はダイヤモンドよりも大幅に低くなります。ダイヤモンド内の炭素原子は三次元的に比較的密に配置されていることがわかります。グラファイトの配列はまさに層状構造です。 2次元平面では比較的強度が高いが、3次元では非常に脆い。

ダイヤモンド格子

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グラファイトの層状構造は分子間力によって保持されていますが、その強度はダイヤモンドの炭素原子間の共有結合よりもはるかに低いです。したがって、材料を強くするには、あらゆる方向で強い硬度を持たなければなりません。 「偏った」ものではなく、「何でも屋」でなければなりません。

グラファイト格子

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研究が進むにつれて、この強靭な新素材であるCrCoNi合金が、将来、人類が星や海を探索する旅をさらに進めるのに役立つことも期待されています。