【研究分野】複合材料・物性

【研究領域課題番号】10450249 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

セラミックス / 複合材料 / 破壊エネルギー / シャルピー衝撃試験 / 動的亀裂進展 / セラミック基複合材料 / 亀裂進展 / 動的特性

【研究成果の概要】

セラミック基複合材料における破壊エネルギーを如何に評価するか?という問題とそれによって評価された破壊エネルギーが如何なる破壊プロセス(複合材料の微細組織と亀裂進展との関係)を反映したものであるのか?という問題を,全研究期間を通じて取組んできた.その結果,測定精度を確保するためには複合材料の破壊エネルギーが数kJ/m^2以上という条件が必要となるものの,容易に試験片を分断できるという利点からシャルピー衝撃試験を用いた破壊エネルギー評価方法が適当であることが分った.シャルピー衝撃試験で評価した破壊エネルギー値は静的3点曲げ試験を用いたそれとほぼ同じであることは,試験片の応力状態や破壊のプロセスが基本的には静的な場合と極めて近い状態であることを物語っており,シャルピー衝撃試験で破壊エネルギーを評価することの妥当性の1つである.静的試験もしくは動的試験に依らず評価される破壊エネルギー値が(スパン/試験片幅)比に大きく変化することがこの研究を通じて明らかになった.この変化は試験片に蓄積される弾性歪エネルギーのように破壊プロセスとは直接関係しない要素と,試験片を分断する破壊プロセスに付随する層間剪断もしくは剥離による要素の両方に影響を受けた結果であるが,材料によって破壊エネルギー値の(スパン/試験片幅)比依存性が異なることが分った.負荷速度を変化させることで破壊形態が変化し,破壊エネルギーが増大する現像をとらえる事ができたが,定量的に解析するまでには至らなかった.しかし,いずれにしろ破壊プロセスにおいて大規模な層間破壊を併発することが,セラミック基複合材料の破壊エネルギーが増大する主な要因であることが分った.

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1998 - 2000

【配分額】9,200千円 (直接経費: 9,200千円)

【研究分野】複合材料・物性

【研究領域課題番号】08555158 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

セラミックス / 複合材料 / 亀裂進展抵抗 / 破壊エネルギー / 曲げ強度 / 高温破壊靱性 / R曲線挙動 / セラミック基複合材料 / 亀裂進展挙動 / 曲げ試験 / 繊維架橋 / 亀裂先端閉口応力

【研究成果の概要】

本年度は前年度までに開発した高温破壊試験装置を用い,代表的な構造用セラミックスである多結晶アルミナとそれを炭化ケイ素ウィスカーで強化した複合材料の曲げ強度及び破壊エネルギーを室温から高温迄測定した.曲げ強度は3mm×4mm断面の角柱状試験片に対し内スパン10mm,外スパン30mmの4点曲げ破壊試験を行う事で評価し,破壊エネルギーは中央にシェブロン切欠きが導入された試験片をスパン30mmの3点曲げ破壊試験して評価した.
室温から1200℃迄の温度範囲では両材料とも顕著な塑性変形が認められなかったので,線形破壊力学に基づいてデータを解析した.多結晶アルミナの破壊エネルギーはこの温度範囲では顕著に変化しなかった(約20J/m2)のに対して,複合材料の破壊エネルギーは室温で約50J/m2であったものが温度上昇と共に増加し,1100℃で最大120J/m2に達する事が分った.これは炭化ケイ素とアルミナの熱膨張係数差に起因する残留熱応力が高温で緩和され,破断せずに亀裂面を架橋するウィスカーの本数及びその引抜け長さが増大する事が原因として考えられ,その妥当性が破面観察及びウィスカーの亀裂面架橋過程をモデル化した計算によって裏付ける事ができた.一方,多結晶アルミナの曲げ強度は室温から1000℃まで約450MPaであったものが1200℃以上で温度上昇と共に徐々に減少したのに対して,複合材料の曲げ強度は室温で約400MPaであったものが1000℃で急に300MPaまで減少した.両材料とも1200℃以下の温度では亀裂面の癒着による強度回復が生じない事,及び顕著な塑性変形が認められない事を考え合わせると,上記の曲げ強度変化は亀裂進展抵抗の変化に対応している事が示唆された.つまり,室温で潜在亀裂を架橋していたウィスカー周囲の残留熱応力が高温下で緩和され,亀裂面閉口応力が減少した事が強度低下の原因である事が分った.

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1996 - 1998

【配分額】17,900千円 (直接経費: 17,900千円)