高温強靭性セラミックナノ複合材料の開発研究

1992 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 03555157
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 新原 晧一 大阪大学, 産業科学研究所, 教授 (40005939)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 佐々木 博 三菱マテリアル, セメント研究所, 副部長 ; 関野 徹 大阪大学, 産業科学研究所, 助手 (20226658) ; 中平 敦 大阪大学, 産業科学研究所, 助手 (90172387) ; 田中 功 大阪大学, 産業科学研究所, 助手 (70183861) ; 上田 智 大阪大学, 産業科学研究所, 講師 (20029870)
• Keywords: セラミックス系ナノ複合材料 / ナノ複合化プロセス / ナノ構造制御 / 超強度セラミックス / 高温強靭性セラミックス / ミクロ及びナノ構造解析 / Al_2O_3 / SiCナノ複合材 / ホットプレス焼結

Research Abstract

Al_2O_3,MgOやSi_3N_4マトリックスにSiCなどを分散したセラミックス系ナノ複合材料の高温下での機械的特性変化を調べ、以下の点が明かとなった。
(1)1500℃までの高温下において、これらの材料の破壊強度は低下することなく維持された。特にMgO/SiCナノ複合材料に関しては、1200℃において室温強度よりも向上した。
(2)本ナノ複合材料では耐クリープ性も単相材料に比べ一桁向上した。
(3)これらの機械的特性の向上は、マトリックス粒内に分散したSiCナノ粒子による転位の移動のピニングによるもの及び粒界に分散したSiCによるすべりの抑制によるものであることが明かとなった。
更に、これらのセラミックス系ナノ複合材料をマトリックスに用いた、炭素繊維強化サイアロン/SiCナノ複合材料(ミクロ複合材料とナノ複合材料のハイブリッド複合材料)の作製に成功し、以下の知見を得た。
(4)マトリックスは微細なSiC粒子が分散したサイアロン/SiCナノ複合体であることが確認された。
(5)複合体の破壊強度及び靭性値は、室温から1500℃までそれぞれ700MPa、20MPam^<1/2>以上を示し、これは従来の炭素繊維強化サイアロンの2倍以上であり、材料の破壊開始応力レベルが向上された。破壊モードは、破壊強度付近まで直線的な弾性変形が維持され、その後は繊維強化複合体に特有の安定破壊を示した。
(6)マトリックスのナノ複合化により高温まで高強度が維持されたのは、高温下においても高応力状態での繊維強化材特有の非線形破壊が進行するため、繊維の引き抜きあるいは架橋により、大きな破壊エネルギー吸収を示したためと考えられる。

Research Products

• [Publications] Koichi Niihara: "Sintering Behaviors and Consolidation Process for Al_2O_3/SiC Nanocomposites" J.of Ceram.Soc.of Japan. 100. 448-453 (1992)
• [Publications] 新原 晧一: "ナノ微構造と破壊" Ceramics. 27. 293-299 (1992)
• [Publications] 新原 晧一: "Al_2O_3/SiCナノ複合材料の焼結機構" 粉体および粉末冶金. 39. 484-487 (1992)
• [Publications] 新原 晧一: "Si_3N_4系セラミックスの微構造と破壊挙動" 粉体および粉末冶金. 39. 1076-1079 (1992)
• [Publications] Koichi Niihara: "Microstructure nad Fracture Behaviors at High Temperatures for Al_2O_3-SiC Nanocomposites" Fracture Mechanics of Ceramics. 9. 165-178 (1992)
• [Publications] Koichi Niihara: "The Correlation Between Interface Structure and Mechanical Properties for Silicon Nitride Based Nanocomposites" Grain Boundary Controlled Properties of Fine Ceramics. 103-111 (1992)