Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

金属基複合材料 / カーボンナノファイバー(CNF) / 金属被覆 / アルミ合金 / 浸透法 / CNF / Al / 界面組織 / 濡れ性 / カーボンナノファイバー / 金属コーティング / アルミニュウム / 複合材料 / 材料工学 / 複合材料・物性 / 分散強化 / コーティング / ナノファイバー

カーボンナノファイバー(CNF)強化複合材料を新東宝で作成するために、まずCNF表面への金属のコーティングを行った。その後コーティングしたCNFのプリフォームを用いて、濡れ性を測定した。さらにプリフォームを用いたアルミの浸透実験を行った。まずコーティングであるが、AlをCNF表面に触媒を用いてコーティングした結果、表面に約5-10nmの厚さで均一なAlのコーティング膜が形成されていた。分析の結果表面はα-Al2O3が少し形成されていた。この他、Mg,Cu,Niのコーティングを試みたところ、CNF表面にコーティングされていることが確認された。プリフォームを作成して、濡れ性を測定した結果、Alコーティングのみの場合には、接触角が174°(以前のデータ)と大きくて測定に失敗したが、コーティングAl層をN_2ガス雰囲気で熱処理して、AlNとしたところ、145°であった。また表面にNiをコーティングした後、測定したところ、125°程度まで減少することがわかった。アルミの浸透実験ではN2雰囲気でCNFのプリいフォーム中にAlが浸透する条件をプリフォーム形成条件、Mgの量、N2ガス量などを変えて検討した結果、プリフォーム中の空孔量の最も多い条件、Mg/Al=0.3,N_2ガス量1000ml/min浸入深さが最大で、プリフォーム厚さ(5mm)の2/3に達することがわかった。なおCNFの体積含有率は15%であり、高含有率の複合材料が出来る可能性を見出した。さらに半凝固状態のAl溶湯にCuをコーティングしたCNFを投入して、複合材料を作成できた。

複合材料 / クリープ / 応力緩和 / 界面拡散 / 粘性すべり / マイクロメカニックス / 内部応力 / 高温材料 / 界面すべり / 金属基複合材料

本課題では、軽量・高剛性・耐熱構造材料として注目されているセラミック粒子強化金属基複合材料(Metal Matrix Composites,MMC)の高温変形挙動(擬弾性、クリープ)に関し、特に強化粒子まわりでの局所的な拡散クリープによる応力緩和の重要性に着目して、理論的・実験的研究を行った。はじめに、多結晶体を対象とした従来の拡散クリープ理論では、拡散と同時に必然的に生ずべき粒界での粘性すべりの効果が定量的には全く把握できないことから、これを考慮した連続体モデルによる一連の解析を行って、粒界すべりによる擬弾性挙動をも包含した新たな拡散クリープ理論を展開した。すなわち、多結晶体における拡散クリープとは、本来、拡散と粘性すべりが同時進行する'連成流れ過程'であり、4要素spring-dashpotモデルに対応する'線形'粘弾性挙動を呈すべきものであること、その'定常'成分の速度係数にも粘性すべりの項が含まれることを定量的に示し、従来の拡散クリープ理論では粘性すべり速度が拡散速度を遥かに上まわることを前提としていること明らかにした。ただし、現実の多くの状況下では上記前提は概ね妥当と考えられる。この点をふまえ、次いで、MMCにおける強化粒子まわりでの拡散クリープがマトリックスの'べき乗則'クリープと連成する問題を扱った。この過程は、一般には数値計算を必要とする非線形微分方程式によって記述されるが、ここでは特に応力指数n=3の'合金型(class l)'クリープ挙動に着目し、内部応力としてマトリックス中に発生する'逆応力'の発展過程に焦点をあてて'非線形'粘弾性挙動を解析的に定式化した。これにより、MMCのクリープは本質的に'非定常'な過程であり、その長時間側の漸近挙動が'定常クリープ'に相当するが、そのクリ-プ速度の負荷応力依存性は、'べき乗則'では記述できないこと、さらに、特に高応力下では強化粒子の破壊や界面剥離などの損傷過程も関与して、実験により求めた'最小クリープ速度'は必ずしも'定常クリープ'を反映せず、'加速クリープ'域でのデータである可能性を指摘した。これを検証すべく行ったSiC粒子強化6061Al合金系MMCに関する実験データはすべて、上述の観点から合理的に解釈できることを示し、従来の'べき乗則'を前提とする解釈ではMMCにおけるクリープの本質が歪曲されると結論した。

金属基複合材料 / 透過電子顕微鏡 / 走査型電子顕微鏡 / 破壊 / 変形 / 界面 / 機械的性質 / 構造材料 / マグネシウム合金 / コンポキャスト法 / 金属複合材料 / アルミニウム合金 / セラミックス / 複合材料

本研究では、スクイズキャスト法、半溶融および溶融攪拌法、ホットプレス法を用いて複合材料を作製した。強化材料として主に、SiC,Al_<18>B_4O_<33>,TiO_2の粒子、ウイスカ、繊維を用い、マトリックスとしてアルミニウム合金、マグネシウム合金およびチタン合金を用いた。これらの複合材料の機械的性質を明らかにし、その発現原因と走査型電子顕微鏡および透過電子顕微鏡による微細組織、変形・破壊組織の観察により明らかにした。また、ホットプレスで作製したニオブとMoSi_2の積層複合材料についても検討を行った。複合材料の機械的性質を決定する要因は、強化材の劣化、セラミックス/マトリックス界面の構造変化、マトリックスの組織の変化に依存する。特に、本研究では、界面に注目し、界面構造および変形、破壊組織を原子的レベルまで分析し、その界面反応が変形、破壊に与える影響を明らかにした。また、界面制御手法を考案することにより、機械的性質の優れた複合材料の設計指針を示した。更に、繊維系複合材料ではクリープ破断寿命を、繊維の耐荷能の時間変化を考慮した確率モデルにより、破断寿命を予測した。
具体的成果として、TiO_2表面への熱化学的ドーピングによる複合材料の強化熱処理温度の低下、Al_<18>B_4O_<33>ウイスカ表面への均一なスピネル層の形成によるマトリックス合金との直接反応の阻止による高温安定性の向上を図ることができた。また、MoSi_2中に添加物を入れることによりNbとMoSi_2の界面反応を制御し、破壊靭性の優れた積層複合材料を製造することができた。

【研究分担者】
吉田誠	広島大学	工学部	助手	(Kakenデータベース)
福永秀春	広島大学	工学部	教授	(Kakenデータベース)