【研究分野】複合材料・物性

【研究領域課題番号】18560665 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

力学的性質 / 破壊靭性 / 小角X線散乱 / シンクロトロン放射光 / クレーズ / 複合材料 / カーボンナノチューブ / 気相成長炭素繊維 / 破壊靱性 / 放射光 / カーボンブラック / ポリエチレンテレフタラート

【研究成果の概要】

カーボンナノチューブ(CNT)を添加した高分子複合材料の力学的性質に関して近年多数の研究報告がなされているが,CNTの添加効果は系に依存して大きく異なり,必ずしも力学的性質の向上が得られるとは限らない。これは,高分子とCNTの相互作用が高分子の種類やCNT表面の状態に依存することの他に,CNTの凝集体が破壊の起点となることや,試験片形状の影響などが考えられる。本研究では,CNT,気相成長炭素繊維,カーボンブラック(CB)などを添加した高分子複合材料の変形・破壊過程におけるシンクロトロン放射光小角X線散乱時分割測定を行って,破壊の前駆構造であるクレーズの生成・成長・クラックへの転化挙動を解明し,CNTの有する高強度・高アスペクト比・ナノサイズがもたらす本質的な効果を明らかにした。CNT及びCBを添加すると高分子の破壊靭性はいずれも増加したが,CNTはCBに比べてより大きな添加効果を示した。CBはクレーズが生成するサイトの数を増加させる効果があるが,CNTの場合には,CNT固有の性質及び形状に起因してクレーズが成長するために必要な仕事を増加させる効果があることが明らかとなった。表面ノッチを導入したフィルムは側面ノッチを導入したフィルムと比較して著しく大きなCNT添加効果を示した。Essential work of fracture法及び有限要素法を用いて解析した結果,表面ノッチを導入したフィルムは側面ノッチを導入したフィルムと比較して塑性変形領域の割合が著しく大きく,これに起因して両試験片形状間でCNT添加効果に顕著な相違が生じることが明らかになった。以上を総括すると,本研究では,CNT固有の性質及び形状に起因して発現する本質的な添加効果を明らかにし,その効果が有効に発現する材料形状を見出した。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2006 - 2007

【配分額】3,780千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 180千円)

【研究分野】構造・機能材料

【研究領域課題番号】11450261 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

金属間化合物 / 積層材料 / 微視破壊 / 破壊靱性 / き裂進展 / 高靭化機構 / 力学特性 / 破壊機構 / 複合材料

【研究成果の概要】

近年材料に対する要求が高度多様になっている.金属間化合物は軽量,優れた力学的特性,耐酸化性に優れており高温構造材料として期待されているが,延性に乏しく脆性であるので単体での使用が制限される.しかし,延性な金属と金属間化合物を積層することで,新しい特性を発現させ,また特定の方向の破壊抵抗を向上させることが可能であると考えられる.このような金属/金属間化合物積層材料を作製する方法の1つに燃焼合成法があり,本研究室においてもNi/Ni-Al, Ti/Ti-AlやNb/Nb-Al積層材料の研究を行ってきた.しかし,ホットプレスによる試験片作製時に金属間化合物相中に空孔が発生し破壊挙動に影響を与えて,強度が低下する.そこで,本研究では(1)積層させる金属シートを薄くすることにより空孔を減少させた積層材料の作製,(2)加熱・加圧条件によって生成する金属間化合物相を変えた積層材料を作製することを試みた.このように金属間化合物の優れた力学的特性を生かした材料を作製することを目的とし,さらに作製した積層材料の力学的特性並びに破壊機構を解明することも目的とした.
Ni箔とAl箔を重ね合わせホットプレスで燃焼合成法を利用してNi/Ni-Al積層材料を作製し,加熱・加圧条件を変化させることで金属間化合物の組成を変えることに成功した.また,引張試験において金属間化合物の組成を変えることで引張強さ並びに伸びを向上させることができた.さらに,き裂進展特性の評価を行い,き裂が前方か横方向へ偏向するかは,応力場を用いたき裂進展方向のクライテリオンから予測できることがわかった.

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1999 - 2001

【配分額】13,900千円 (直接経費: 13,900千円)

【研究分野】構造・機能材料

【研究領域課題番号】08650811 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

セラミックス / き烈経路 / 粒子 / 界面 / 残留応力 / 破壊抵抗 / 複合材料 / 体積力法 / き裂経路 / 破壊靱性

【研究成果の概要】

球形粒子が分散されたセラミック複合材料におけるき烈進展挙動をシミュレーションするシステムを開発し,き烈進展経路及び破壊抵抗に及ぼす熱残留応力の影響を対して調べた.材料としては,SiC粒子分散Al_2O_3マトリックス複合材料とAl_2O_3粒子分散Sicマトリックス複合材料を対象とし,粒子とマトリックス間の熱膨脹係数差により発生する熱残留応力とき列による集中応力との相互作用に関して調べた.複数に偏向した長いき烈の応力拡大係数は体積力法による数値解析から求め,粒子体積率5%〜30%の範囲でき列の2次元的な連続進展挙動をシミュレーションした.Sic_<(p)>-Al_2O_3複合材料においてはSiC粒子まわりの円周方向に存在する引張の残留応力がき裂を引き寄せる傾向があり,Al_2O_<3(p)>-SiC複合材料においてはAl_2O_3粒子まわりの半径方向に存在する引張の残留応力がき烈を押し出す傾向がある.これら残留応力の影響でSiC_<(p)>-Al_2O_3複合材料の破壊抵抗はき烈進展と共に上昇するRカーブ挙動が現れ,この上昇Rカーブ挙動は界面の破壊靭性にあまり影響されないことが分かった.一方,ホットプレスにより作製されたSiC_<(p)>-Al_2O_3複合材料においても同様のRカーブ挙動が確認され,残留応力のみによるRカーブ挙動の発現機構が解明された.また.Sic_<(p)>-Al_2O_3複合材料の場合は粒子体積率と共に破壊靭性が上昇するのに対して,Al_2O_<3(p)>-SiC複合材料の場合は逆に減少するシミュレーション結果が得られた.これはき烈が熱残留応力と相互作用し偏向進展した結果であり,き烈の直線進展モデルから予想される結果とは異なるものである.この場合はき烈の3次元的な進展が破壊抵抗上昇の主な機構であると判断される。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】1996 - 1997

【配分額】1,700千円 (直接経費: 1,700千円)

【研究分野】医用生体工学・生体材料学

【研究領域課題番号】07558250 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

水酸アパタイト / リン酸カルシウム / アパタイト複合体 / 生体親和性 / 破壊靭性 / ウィスカ- / 人工骨 / 破壊靱性 / 水熱合成 / 複合材料 / 生体活性セラミックス / リン酸三カルシウム

【研究成果の概要】

整形外科領域において人工材料の使用頻度は年々増加している。ところが、臨床報告の蓄積に伴って、生体材料から受ける様々な問題点が明らかになってきた。特に、長期間使用した場合の問題点は、生体骨と材料との界面に生ずるゆがみ(ルーズニング)である。ルーズニングの原因は、(1)材料と生体骨との機械的特性(特に靭性)の違いが大きすぎること、(2)材料と生体骨との結合界面に柔軟性が乏しく、応力集中を受けることにある。本研究の目的は、ルーズニングを起こさない人工材料を開発することにある。そのためには、(1)と(2)を解決した高度な複合材料を作製する必要がある。従って本研究では生体骨の無機主成分である水酸アパタイト(Ca10(PO4)6(OH)2:HA)を主成分とした複合材料の試作、特性の評価および動物実験を行った。
1.水酸アパタイトの構造相転移
精密に合成された化学量論比の水酸アパタイトはX線回析、熱分析などにより473-473Kに、単斜⇔六方の可逆的転移を示すことが分かった。
2.水酸アパタイトウィスカ-の開発
Ca(OH)2j、H3PO4および乳酸などのキレート剤を加えた溶液を200℃飽和水蒸気圧下で水熱処理することにより長さ30-50μm、太さ1-10μmの形状、組成のそろったウィスカ-を作製した。組成はややCa欠損であったが、これにCaCO3粉末を混ぜて600℃で招請することにより化学量論比(Ca/P=1.67)にする事ができる。
3.水酸アパタイトウィスカ/水酸アパタイト複合体の作製
生体親和性に優れた水酸アパタイト複合体をホットプレスおよびHIPを用いて世界で初めて作製した。破壊靭性は約2倍に向上した。
4.水酸アパタイト/生体活性ガラス複合体
水酸アパタイトと生体活性ガラスの積層により生体親和性のある複合セラミックスを作製した。界面にはβ-NaCaPO4が生成し、そこが弱い結合になることにより、破壊靭性は明らかに向上した。
5.水酸アパタイトあるいはリン酸カルシウム多孔組織のデザインおよび動物実験
生体骨とセラミックスが大きな接触面積を持ち、高度に複合化して一体化するために、水酸アパタイト、リン酸カルシウム(β-TCP)およびそれらの複合した多孔体セラミックスを作り、家兎を用いて骨形成およびセラミックスの吸収挙動を調べた。その結果ポアの大きさと分布、さらに水酸アパタイトとβ-TCPの割合によって骨形成速度を制御することが分かった。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1995 - 1996

【配分額】1,100千円 (直接経費: 1,100千円)

【研究分野】機械材料・材料力学

【研究領域課題番号】06452146 (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 / 破壊靱性

【研究成果の概要】

長繊維で強化したセラミック基複合材料はセラミックの靱性強化の切り札として注目を集めている.これは界面に微小なき裂を導入することで高い靱性を達成しており,この材料に従来の単純な単一き裂の破壊力学を適用することは困難である.そこで本研究では微小き裂による剛性低下と等価な剛性低下をもたらす単一き裂に置き換える等価き裂を用いて,損傷力学的に取り扱い,破壊抵抗曲線が線形破壊力学で求められることを実験的に検証した.具体的には,片側き裂曲げ試験片とコンパクト試験片,中央き裂曲げ試験片を用いて,常温で破壊靱性試験を実施し,原点からのコンプライアンスに基づく等価き裂長さと荷重から応力拡大係数を評価し,試験片形状,寸法,負荷形式に依存しない破壊抵抗曲線が得られることが明らかとなった.また,最大荷重時にはき裂先端で最初の繊維束破断が発生しており,破壊靱性がこの点で評価できることが明らかとなった.さらに,高温試験に際して,模擬試験片を用いて破壊靱性試験を実施した.その結果,治具のコンプライアンスを取り除いて破壊靱性が評価可能であることが明らかになった.

【研究種目】一般研究(B)

【研究期間】1994

【配分額】7,500千円 (直接経費: 7,500千円)