Trans-process analysis of ceramics: Optimization guidelines for strength-toughness-healing
| Project/Area Number |
23K22628
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| Project/Area Number (Other) |
22H01357 (2022-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 18010:Mechanics of materials and materials-related
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
尾崎 伸吾 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (20408727)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
長田 俊郎 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 構造材料研究センター, グループリーダー (50596343)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,810,000 (Direct Cost: ¥13,700,000、Indirect Cost: ¥4,110,000)
Fiscal Year 2024: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
Fiscal Year 2023: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2022: ¥10,400,000 (Direct Cost: ¥8,000,000、Indirect Cost: ¥2,400,000)
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| Keywords | 自己治癒材料 / セラミックス / 有限要素法 / 速度論 / 極値統計 / 個別要素法 / バーチャルテスト |
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| Outline of Research at the Start |
自律的にき裂を修復できる自己治癒セラミックスを対象に，成形―焼結―損傷―治癒のプロセスに渡る数値解析手法を構築する．欠陥や粒径分布の極値統計解析および各種数値解析からなる本手法をバーチャルテスト技術として利用することにより，部材内の欠陥分布に依存した破壊挙動や温度や酸素分圧環境に応じた治癒挙動をコンピュータ上でシミュレートできることを実証する．また，強度のばらつきや靭性，自己治癒性などといった「構造部材としての要求性能」を満足し得る「微視組織条件」をバックキャストする．最終的に，強度－靭性－治癒性が共存した超高信頼性セラミックスを実現するための組織設計指針，自己治癒部材の選定指針を創出する．
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| Outline of Annual Research Achievements |
強度－靭性－治癒性が相補的関係を織りなす自己治癒セラミックスの信頼性向上には，(1)破壊の起点になり得る欠陥の存在確率を把握することで強度のばらつきを制御し；(2)サイズや配向性が制御された結晶粒に沿ってき裂を誘導することで高靭性化を図り；そのうえで，(3)所定の環境下で自己治癒を繰り返し発現させる必要がある．本研究では，セラミックスの高信頼性化に対して最大の障壁となっている『内部欠陥の確率的分布特性とその起源』を解析的に推定することに取り組んだ．実績を下記にまとめる．
①連続体に基づく欠陥消滅モデルを用いて成形体内欠陥の焼結中の変化を数値的に予測した．また，成形体内の欠陥サイズ分布を確率密度関数でランダムに生成し，多数の欠陥の変化を一度に計算するためのスキームを構築した．本スキームは常圧焼結や
加圧焼結など，複数の焼結条件に対応している．さらに，計算された焼結後の多数の欠陥サイズ分布を用いて，焼結体の強度ばらつきの予測手法と連結した．このように，セラミックスの成形－焼結－部材間のトランスプロセス解析の基礎を構築することができた．
②自己治癒セラミックスの材料開発においては，活性化エネルギーや頻度因子などの反応速度論パラメータの把握が不可欠である．そこで本研究では，各種自己修復セラミックスの反応速度論パラメータを決定する方法を提案した．また，代表的な自己治癒セラミックスである「アルミナ／炭化ケイ素」，「アルミナ／窒化ケイ素」および「アルミナ／MAX相」を対象にその妥当性を実証した．提案した方法は，異なる治癒剤で強化されたマトリックスを持つ他の自己治癒セラミックスにも適用でき，強度回復試験の種類に関係なく，複合材料の治癒能力を公平に議論することができる．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
現在までに，当初計画通り進行している．1年目には，成形・焼結プロセスの解析を計画していたが，連続体力学に基づく欠陥消滅モデルと極値統計分布を導入することでこれを達成した．さらに，成形時の情報と焼結条件に基づき，焼結後のセラミックス内の粒径，空孔および局所相対密度分布，ひいては焼結体の強度ばらつきの推定方法を構築した．また，これらと並行して，粒子の初期パッキングや凝集状態を再現するため，付着力を考慮した個別要素法を用いてアルミナ微細粉末（粒子径: 500 nm程度）の成形解析の準備を整えた．
他方，自己治癒セラミックスでは，炎症・修復・改変期を通し，酸化生成物によるき裂充填機能と治癒部の高強度化を達成している．本プロセスの解析には，化学反応の律速過程に加え，き裂界面での酸化物と非酸化物の体積分率が必要となる．その指標となる活性化エネルギーや頻度因子などの反応速度論パラメータの評価方法に関する取り組みを次年度に先駆けて実施した．提案した方法は，異なる治癒剤で強化されたマトリックスを持つ他の自己修復セラミックスにも適用でき，高温用途に使用される自己治癒材料を設計するための酸化速度，き裂治癒速度，理論強度回復挙動を評価することができる．
このように，当初計画通り，構造部材としての要求性能と材料の微視組織条件との関連付けを行うことのできるトランスプロセス解析手法の構築へ向けた準備を終えている．これらの内容については，国際会議で発表するとともに，投稿論文としてまとめ終えた．
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度までの研究を継続し，付着力を考慮した個別要素法を用いてアルミナ微細粉末（粒子径: 500 nm程度）の成形解析を実施する．先ず，冷間等方圧加圧成形(CIP)などの種々の加圧条件に応じた粒子充填構造と空隙の三次元分布を取得する．次に，炭化ケイ素微細粉末を加えた複合体の充填解析を実施し，粒径分布や混合比の影響についても検討する．
次に，成形体の欠陥サイズ分布に基づき計算された焼結後の欠陥サイズ分布を用いて，焼結体の強度ばらつきの予測に取り組む．また，スケーリング則に基づくオストワルド成長の解析手法を組み合わせる．最終的に，実験結果との比較を通じて本スキームの妥当性を確認し，トランスプロセス解析手法を拡張する．
さらに，アルミナ／炭化ケイ素複合材に代表される酸化物系自己治癒セラミックスの繰り返し損傷―治癒評価実験システムを構築する．具体的には，シェブロンノッチ付き試験片を用いることでき裂の安定成長を実現し，有限要素法を組み合わせることで治癒前後での破壊パラメータを逆解析する．また同時に，様々な自己治癒セラミックスを対象に，治癒性を特徴付ける酸化反応速度論パラメータの同定方法を構築する．本手法を用いて，所定の稼働条件下での微視組織条件（自己治癒エージェントの複合）を最適化するための基礎を構築する．
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Report
(1 results)
Research Products
(5 results)
