2018 Fiscal Year Research-status Report
Development of Hyper-velocity-impact Resistance of Laminated Ceramics and Elucidation of the Mechanism
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17K06792
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
田邊 靖博 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (70163607)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | セラミックス / 積層 / 高速衝突 / 複合 / 防護板 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
昨年度得た結果の実証実験を行い、樹脂接合することで大きな亀裂の形成・進展がなくなること、また、試料に存在する空隙に樹脂を含浸することで致命的な破壊（粉々になる）がなくなることの再現性を確認した。試料全体にわたり存在する空隙に均一に樹脂を含浸することは難しいと判断し、接合の効果について検討実験を行った。一つの非接合面積（円形）×接合数が一定となるように樹脂接合した試料に対して、低速（～ 400 m/s）で飛翔体衝突実験を行った。その結果、一つの非接合面積を比較的小さく（試料寸法の5～10%の直径）して樹脂接合した試料において、致命的な破壊やデブリの飛散量が減少した。非接合部は亀裂進展の抑制や迂回を誘発していると推察される。非接合部が大きいと接合の効果よりも、脆性セラミックスの特性が顕在化するためと推察される。これらのことは、空隙に樹脂を含浸することで、空隙近傍の剛性が未充填時空隙近傍よりも大きくなり、亀裂の進展抑制のみならず迂回を誘発していることを十分に類推させる。低融点金属を接合剤として母材セラミックスと加熱接合させて、接合部に脆性な金属間化合物を形成させると、飛翔体衝突に伴う破壊が脆性的になることも実験で確認しており、延性（or塑性）組織あるいは構造の導入が効果的であることを確かめることができた。
脆性樹脂マトリックス複合材料においても、接着力が高すぎると大きな亀裂が発生するとともに飛散デブリ量が増大することが、本研究の代表研究者グループによって明らかになっている。樹脂よりもさらに脆性なセラミックスにおいては、これら現象が顕著に現れ、致命的な破壊が引き起こされなかったと推察される。
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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
昨年度、当初計画以上の実験を行うことができ、初年度に国際会議で口頭発表した内容を２年目に論文として投稿（掲載可）することができた。さらに、当初計画には組み込んでいなかった、接合層に金属間化合物を形成させる実験、および、脆性樹脂を母材とする複合材料を用いることで飛翔体衝突に伴う破壊に関する２層間の接着力の違いのみの効果を浮き彫りにすることができた。協力関係にある企業殿から、樹脂接合であれば、セラミックスの仕上げ加工の粗さ精度を抑えることができ、コスト・納期に大きく貢献できるとの私信を得ている。昨年度・本年度の実験で使いたセラミックではないが、接合剤の特性に伴って部材の使用環境が制約を受けるものの、ハットやリブのような複雑な構造を有する部材の組み立てを行えるところまで来ている。本研究が目指している用途展開では、樹脂接合剤で問題ないと考える。樹脂接合による形状多様性の実現、耐飛翔体衝突損傷の向上など、当初計画していた基礎的知見の大略を本年度までで修得することができたと考えている。
次年度は、本年度までの知見をもとに、炭化ホウ素セラミック（B4C）を用いた飛翔体衝突損傷実験を低速と高速で行い、知見の有用性を実証するとともに、B4Cの優位性についても検証する。
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| Strategy for Future Research Activity |
炭化ホウ素セラミック（B4C）を用いた飛翔体衝突損傷実験を低速と高速で行い、知見の有用性を実証するとともに、B4Cの優位性についても検証することが次年度の当初目標の一つであった。しかし、幸運にも昨年度および今年度の研究で、樹脂接合の効果ならびに樹脂含浸の効果、さらに、Al衝突板の変形量低減についての大枠を取得することができ、当初の目的の大半を達成することができた。そこで、セラミック製造企業の協力を得て、性能低下のない（少なくとも、性能低下を最小限にした）新たな複合セラミックスを用いた、より低コストで高性能な防護板作製のための指針を得るための研究も併せて進める。樹脂系複合材料での結果ではあるが、複合系はモノリス系と比べて耐飛翔体衝突損傷性が高いことは実証済みである。現時点でのB4Cの大幅な価格低下を期待するよりは、複合化による大幅な価格低下を見込めるB4C/SiC系セラミックスを評価対象に加えて、同一土俵で評価し、セラミックスでの複合化の意義についても新たな知見を得たいと考えている。
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