ブックタイトル日本結晶学会誌Vol60No1

概要

日本結晶学会誌Vol60No1

日本結晶学会誌60，9-16（2018）特集鉱物結晶学で解き明かす地球惑星ダイナミズム1．鉱物の微細組織と結晶学グラファイト－ダイヤモンド相転移の結晶化・組織化メカニズム愛媛大学地球深部ダイナミクス研究センター大藤弘明Hiroaki OHFUJI: Crystallization and Texturing of Diamond Formed by the DirectTransformation from GraphiteThe crystallization process of diamond in the graphite-diamond transformation was studiedthrough detailed microtextural observation of synthetic and natural nano-polycrystalline diamonds（NPDs）by transmission electron microscopy. The transformation occurs by two types of processes,diffusion-controlled（nucleation and growth）process and diffusion-less（martensite）process, whichproduce different types of microtextures, typically, granular and lamellar（layered）textures. Wefound that the transformation process and the microtexture of diamonds are largely influenced bythe crystallinity of the graphite starting material. This allows us to produce a variety of NPDs withnovel microtextures by using graphitic starting materials with various degrees of crystalinity. We alsostudied impact diamonds from a large meteorite crater as a natural counterpart of NPD and revealedthat they formed mainly by the martensitic transformation from single crystalline graphite which wereoriginally contained in the host metamorphic rock at the impact site. Shock-induced fragmentation ofthe source graphite and subsequent rapid transformation to diamond in the limited time scale resultin multiple diamond nucleation and suppression of the overall grain growth, producing the uniquenanocrystalline texture of natural NPD.1．はじめに世の中で最も硬い物質であるダイヤモンドは，高い圧力と温度の下で安定的に生み出される．天然に産するダイヤモンドのほとんどは，そのような高温高圧条件の整った地球の深部（マントル）で生成され，地球の深部よりもたらされる特殊なマグマによって地表へと運搬される．一方，科学技術の発展によって，地球深部と同様の高温高圧条件を実験室内で再現することが可能となり，人造ダイヤモンドの合成や量産も精力的に進められ，研磨剤や切削工具，ヒートシンクなどへの産業利用も拡大されてきた．2003年のこと，ダイヤモンドの高圧合成における重要なブレークスルーが生み出された．愛媛大学の研究チームが，高温高圧下におけるグラファイト（黒鉛）からの直接変換によって，高い透光性と優れた硬度を有する純粋なダイヤモンドの多結晶体（焼結体）の合成に初めて成功したのだ.1）ダイヤモンドはきわめて硬い反面，脆く，特定の方向（｛111｝面方向）へ割れやすい性質（劈開）をもつ．この劈開性のために単結晶は欠けやすいが，多結晶では劈開がさまざまな方向へと分散されるため全体として割れにくくなり，ダイヤモンドの弱点が克服されている．しかも，個々の結晶の大きさは数十nmときわめて細粒であるため，金属材料でよく知ら日本結晶学会誌第60巻第1号（2018）れているHall-Petch効果（粒径の逆数に比例して物質強度が向上する効果）2）,3）による靭性強化も働いていると考えられる．この優れた強度特性を有する新しいダイヤモンド（図1A）は，ナノ多結晶ダイヤモンド（NPD）と名づけられ，切削工具や精密加工具などへの工業利用も図1ナノ多結晶ダイヤモンドとその微細組織.（Nanopolycrystallinediamond and its microtexture.）1）A）合成されたNPD，左上の写真は2003年に初めて合成された試料（直径約1 mm）．B），C），D）微細組織を示したTEM明視野像．等粒状組織C）とラメラ状組織D）の混在した特徴的な組織を示す．9