レーザ誘起衝撃波を用いた航空宇宙材料の衝撃破壊に関する研究

1997 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 09305009
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 岸田 敬三 大阪大学, 工学部, 教授 (00029068)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 山内 良昭 大阪大学, 工学部, 助手 (00252619) ; 田中 和夫 大阪大学, 工学部, 助教授 (70171741) ; 中野 元博 大阪大学, 工学部, 助教授 (40164256)
• Keywords: レーザ / 衝撃波 / 航空宇宙材料 / 破壊 / スポール / 超高速ガメラ / 状態方程式

Research Abstract

先進航空宇宙用材料の超高速破壊のメカニズムを明らかにし、今後の航空宇宙機器用構造材料の開発に対して、耐衝撃性向上のための指針を示すことが本研究の目的である。そのため、高強度レーザを用いた極超短パルスの衝撃負荷下の材料挙動をフレーミング・カメラを用いて観察し、超高速破壊のモデルを構築して、その力学挙動をシミュレーションする手法の開発を行う。また、レーザの照射により加速した飛翔体をターゲット材料に衝突させ、衝撃波伝播過程の観測から先進材料の状態方程式を測定する。これらの実験結果から、先進航空宇宙材料の高速破壊挙動を予測可能にすることが本研究の目標である。
本年度は、イメージコンバータ方式の超高速カメラ用光学装置、および、プロジェクタイル等の設計、製造を行った。また、レーザ照射によるアブレーションで発生する超高圧でプロジェクタイルを加速し、ガラス試料に衝突させる基礎実験を行った。最適なプロジェクタイルの加速を得るため、エンジニアリングワークステーションを用いて、衝撃波伝播解析用流体コードで数値シミュレーションを行い、多層構造飛翔体を設計した。このシミュレーション条件としては、レーザのエネルギーを20(J)、パルス幅を1(ns)、照射スポット径を500(μm)、強度を5.1(TW/cm^2)とした。Al-CH-Taという三層構造をもつ飛翔体を考え、Alを0.2μm、CHを20μm、Taを0.5〜7.5μmの膜厚とした。計算で予測されたTaプロジェクタイルの自由表面速度は、Ta膜厚0.5,1.0μmで明確な加速効果が見られ、2.0μm以上ではスポール破壊が加速の途中で起きた。基礎実験の結果は、シミュレーションの予測とおり、Ta膜厚0.5で明確な加速効果が見られ、この実験条件で加速できる膜厚の閾値は1.0μmであることがわかった。Taプロジェクタイルは、最高13km/sまで加速でき、ガラス試料には衝突面にクレーター、裏面にスポール破壊が観察された。