焼結プロセスにおけるマイクロ-マクロ解析法の開発と微視的組織制御

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13650085
• Research Institution: Toyohashi University of Technology
• Principal Investigator: 森 謙一郎 豊橋技術科学大学, 工学部, 教授 (80127167)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 牧 清二郎 豊橋技術科学大学, 工学部, 助教授 (20124315) ; 梅田 学 (株)INAX, 基礎研究所, 研究員 ; 松原 秀彰 (財)ファインセラミックスセンター, 試験研究所, 副所長 ; 原田 泰典 豊橋技術科学大学, 工学部, 助手 (30218656)
• Keywords: マイクロ-マクロ解析法 / 焼結 / モンテカルロ法 / 粘塑性有限要素法 / 連成解析 / 拡散 / 粒成長

Research Abstract

最近複合材料、傾斜機能材料などの先端材料が粉末材から製造されているが、これらの製造において微視的組織を制御して製品の特性および機能を向上させることが検討されている。しかしながら、有限要素法などの連続体力学に基づく解析法では、微視的な効果が取扱えないため、微視的レベルでの製造条件を検討することができない。最近均質化法などによって微視的な効果を巨視的解析法に取扱う試みが行われているが、焼結プロセスにおいては拡散、粒成長などの複雑な現象が現れ、それらの現象はほとんど取扱われていない。
本研究では、金属、セラミックス圧粉体の焼結プロセスにおいて、微視的および巨視的効果を考慮したマイクローマクロ解析法を構築している。本解析法では、拡散、粒成長、粒径形状・分布などの微視的効果をモンテカルロ法によって取扱い、その情報を基にして巨視的な不均一収縮挙動を有限要素法によって計算するものである。従来マクロ解析法では取扱うことが困難であった拡散、粒成長などの微視的効果を考慮することによって、マクロ解析法を実焼結プロセスに適用できるようにしている。
先ず、マクロ解析法である粘塑性有限要素法とマイクロ解析法であるモンテカルロ法を開発した。モンテカルロ法では、微視的領域を多数のセルに分割して、拡散、粒成長の物理法則に基づいて微視的状態の変化をシミュレーションできるようにした。次に、マイクロ解析法とマクロ解析を連成する方法として、有限要素法の要素ごとにモンテカルロ法によるマイクロ解析を行い、得られた情報を交換する方法を提案した。連成方法において、有限要素法から計算されるひずみの影響を取込むモンテカルロ法の定式化を行った。

Research Products

• [Publications] 梅田学, 森謙一郎, 村上守人: "2層タイルの圧粉成形および焼結における材料特性の測定と有限要素シミュレーション"日本セラミックス協会学術論文集. 110巻9号. 844-851 (2002)
• [Publications] M.Umeda, K.Mori, M.Murakami: "Finite element simulation of compaction and sintering of tiles having two layers of powders"Advances in Ceramic Matrix, Composites VIII. 59-70 (2002)