2015 Fiscal Year Annual Research Report
放電プラズマ焼結における異材界面相形成を考慮した高性能生体適合傾斜機能材料の創生
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15H03891
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| Research Institution | Shizuoka University |
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Principal Investigator |
東郷 敬一郎 静岡大学, 法人本部, 理事 (10155492)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
島村 佳伸 静岡大学, 工学部, 教授 (80272673)
藤井 朋之 静岡大学, 工学部, 助教 (30377840)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 機械材料・材料力学 / 生体適合傾斜機能材料 / 放電プラズマ焼結 / 異材界面相 / 材料試験 / 材料設計 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成27年度は，以下の3項目について研究を行った.
１．小型二相界面焼結試験片の作製 焼結における部分安定化ジルコニア(PSZ)－チタン(Ti)界面相の機械的特性評価のため，平面状の界面を有する小型柱状二相界面試験片（2mm×2mm×10mm）を放電プラズマ焼結(SPS)により作製した．作製した試験片において，電子線マイクロアナライザーによる元素分析を実施し，焼結温度と界面近傍における元素濃度の関係を明らかにした．
２．小型試験片の圧縮曲げ試験による界面相の強度特性の評価 小型二相界面焼結試験片の界面強度評価を行うため，圧縮曲げ試験法を開発した．本手法は，微小強度評価試験機から圧縮負荷を加えることで試験片に純曲げと圧縮を加えるものである．１．で作製した小型二相界面焼結試験片の界面強度評価を行った．その結果，焼結条件が1000℃および1200℃保持時間なしではPSZ-Ti界面で破壊する一方，1200℃5分保持の場合には，Ti相およびPSZ-Ti界面で破壊することを明らかにした．これは，界面近傍における拡散挙動に起因するものと考えられ，界面近傍の元素濃度と界面強度の関係が明らかとなった．
３．複合材料の焼結に及ぼす材料組合せの影響 PSZ-Ti複合材料では，PSZに含まれる酸素がTi相に拡散しTi酸化物を形成するため，破壊靭性が低下する．そこで，他の生体適合性材料としてアルミナAl2O3に着目し，Al2O3-Ti複合材料の作製を行った．さらにTiの代替として水素化Tiを用いることにより焼結性の向上を検討した．その結果，Tiおよび水素化Tiを用いて作製した複合材料では反応生成物は確認できず，焼結後もAl2O3およびTiが残留していることが確認できた．また，Tiよりも水素化Tiを用いて作製した複合材料の方が，曲げ強度や硬さが向上した．よって，水素化Tiを用いたAl2O3-Ti複合材料が，耐摩耗性とじん性を両立できる材料の組合せであることが示唆された．
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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
割り型を用いた小型二相界面焼結試験片のニアネットシェイプ成形を目指したが困難であり進捗が遅れたが，予焼結PSZとTi粉末を組合せることにより試験片の作製に成功した．作製した試験片を用いで、界面相の元素分析および開発した圧縮曲げ試験法により界面相の機械的特性の評価を実施できた．材料の組合せについては，SPSを用いたAl2O3-Ti複合材料の焼結に成功し，次年度以降につながる成果が得られた．
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| Strategy for Future Research Activity |
Al2O3-Tiの体積割合の異なる数種類の複合材料について，機械的特性を明らかにするとともに，傾斜機能材料(FGM)の作製を行う．作製したFGMにおいて硬さおよび破壊靭性の分布の評価を行う．また，焼結過程における焼結状態の評価のため，有限要素法によるマルチフィジックスシミュレーションを実施し，その結果に基づいて，粉末試料の温度，密度，電気抵抗の変化を推定する技術を開発する．これらの成果を通して，各種材料の組合せによる優れた傾斜機能材料の設計・創生につなげたい．
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