| Project/Area Number |
23K19105
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
0301:Mechanics of materials, production engineering, design engineering, fluid engineering, thermal engineering, mechanical dynamics, robotics, aerospace engineering, marine and maritime engineering, and related fields
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| Research Institution | Okinawa National College of Technology |
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Principal Investigator |
赤嶺 宗子 沖縄工業高等専門学校, 機械システム工学科, 講師 (50985918)
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| Project Period (FY) |
2023-08-31 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
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| Keywords | 熱制御システム（TPS） / Mie散乱 / 構造制御 / 省スペース / ふく射熱 / 遮熱コーティング（TBC） / セラミックス / 多孔体 / 熱制御システム / 遮熱コーティング |
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| Outline of Research at the Start |
本研究はMie理論を適用した微構造設計により電磁波の反射を制御した「ふく射熱反射セラミックス多孔体」を，チタン，ステンレス等の金属表面へ形成する技術の確立，および，その機能発現メカニズムの評価と解明をおこなう．プラズマ溶射法やボンドコート法を用いた実験を行い，耐熱性・遮熱性・機械特性を同時に発現する微構造を提案するとともに，遮熱コーティング（TBC: Thermal Barrier Coating）や熱制御システム（TPS: Thermal Protection System）への適用を目指す．
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| Outline of Annual Research Achievements |
ふく射光に対して透明なセラミックス多孔体は，表面近傍における微構造の大きさと光の波長が同程度になると，Mie散乱と呼ばれる現象により表面での光の散乱が著しく大きくなる．MgAl2O4スピネルは赤外域の吸収がなく，かつ高融点酸化物であることから，高温域での低放射率材料としての使用が期待される．しかしセラミックス多孔質体は脆性的であり強度が低いことから，これを構造材料としての適用することには制約がある．
本研究では，TBC(遮熱コーティング)やTPS(熱制御システム)をターゲットとし，金属表面にふく射光を散乱する微構造を保持した状態でのセラミックス多孔体の成膜を行い，かつ，容易に剥離しない条件を選定することを目的としている．具体的には，Mie理論を適用した微構造設計により電磁波の反射を制御した「ふく射熱反射セラミックス多孔体」を，チタン，ステンレス等の金属表面へ形成する技術の確立，および，その機能発現メカニズムの評価と解明を行うために，微構造を残した成膜方法の検討と，機能発現メカニズムの評価と解明のためのふく射加熱実験と特性評価に取り組んでいる．
昨年度はボンドコートによるチタン基板上へのふく射熱反射効果のあるセラミックス多孔体の成膜を行った．気孔率70％でMie散乱を引き起こす微細構造を残したまま金属表面に成膜することに成功した．赤外線ランプによる真空加熱実験を行い，中心波長1250 μm，黒体相当温度2600 ℃の加熱に対し，コーティングにより熱流束を70%削減し，基板の背面温度を600 ℃から300 ℃に減少することに成功した．
本年度はチタン（合金）に成膜したふく射熱反射セラミックス多孔体のアーク風洞装置を用いたふく射加熱実験および伝熱解析および力学特性および材料特性評価を行い，機能発現メカニズムの評価と解析を行う．加えて，溶射法による成膜方法の検討も行う．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
昨年度はプラズマ溶射とボンドコートによる成膜を検討し，ボンドコート法でふく射熱反射効果のあるセラミックス多孔体をチタンおよびステンレス上に成膜することができた．詳細を以下の各項目の進捗状況として示す．
① プラズマ溶射による成膜：プラズマ溶射実験を行うために装置の調査を行ったところ，想定していたプラズマ溶射ではMgAl2O4の融点を超える温度となり，多孔体の成膜が困難であることがわかった．代替策として，低温フレーム溶射による成膜を検討することとしたため遅れが生じている．現在，MgAl2O4造粒粉を作製し準備を行っている．
② ボンドコートによる成膜：アルミナやステンレスを主成分とした市販のセラミックス接着剤を用いたボンドコートを実施．MgAl2O4は高融点である一方，FeやNiなど遷移金属がスピネル構造内に置換されることから，微細構造が維持されると仮定して実験を実施．配合により乾燥時に剥離が発生したが，剥離を起こさずにチタンおよびステンレス板上へ成膜できる配合条件を決定した．
③ ふく射加熱実験による機能発現メカニズムの評価と解明：②で作製したボンドコート成膜品（チタン基板）の赤外線ランプによる真空加熱実験を実施．中心波長1250 μm，黒体相当温度2600 ℃の加熱に対し，コーティングにより熱流束を70%削減し，基板の背面温度を600 ℃から300 ℃に減少させることができた．アーク風洞装置を用いたふく射加熱実験を9月に予定しており，準備を行っている．
④ 力学特性および材料特性評価：材料特性として水銀ポロシメータを用いた構造解析を実施し，気孔率７０％でＭｉｅ散乱を引き起こす微細構造を残し構造であることを確認．
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度はチタン（合金）に成膜したふく射熱反射セラミックス多孔体のふく射加熱実験および伝熱解析および力学特性および材料特性評価を行い，機能発現メカニズムの評価と解析を行う．詳細を以下の各項目の推進方策として示す．
① プラズマ溶射による成膜：プラズマ溶射の代替として，低温フレーム溶射による成膜実験を行う．プラズマを利用した低温溶射に関する調査は引き続き行う．
② ボンドコートによる成膜：チタン合金への成膜を調べる．成膜厚さの検討も行う．
③ ふく射加熱実験による機能発現メカニズムの評価と解明：②で作製したボンドコート成膜品（チタン基板）のアーク風洞装置を用いた高加熱率でのふく射加熱実験を，９月に実施予定である．赤外線ランプによる真空加熱実験の結果とともに伝熱解析を行う．
④ 力学特性および材料特性評価：力学的特性の評価として，万能試験機を用いた引張試験やひずみ解析（DIC法），曲げ試験を行い剥離しにくさについて評価を行う．構造解析ではX線CTを用いた構造解析も行い，ふく射加熱実験の結果と合わせた評価・解析を行う．
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