2019 Fiscal Year Research-status Report
遮熱コーティングの高温高圧下における熱拡散率測定技術の開発と遮熱機構の解明
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18K04001
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
阿子島 めぐみ 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 主任研究員 (20356356)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
高橋 智 首都大学東京, システムデザイン研究科, 准教授 (80260785)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 遮熱コーティング / 熱拡散率 / レーザフラッシュ法 / 溶射皮膜 / 多孔質 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ガスタービン発電の発電効率の向上に向けて、遮熱コーティング（Thermal Barrier Coating, TBC）の視点から、より厳密な熱設計を行うために必要になる精確な熱伝導率・熱拡散率データを整備し、TBCの遮熱機構を考慮したコーティング材料の設計への指針を提案することが期待されている。
我々は先行研究でTBCの表面層（Top coat, TC）に着目し、その熱拡散率が「1気圧から真空へ減圧雰囲気では圧力に依存する」、「気孔率と気孔形状に依存する」、「異方的で板厚方向と面内方向が異なる」ことを明らかにした。実際のガスタービンは高温高圧下で稼働するため、圧力に依存する気体の熱伝導率・熱拡散率の影響を受けるであろうTCの熱伝導率・熱拡散率を知りたいところであるが、これまで研究例は無い。そこで、本研究では、測定データが無いTCの加圧雰囲気下での熱拡散率測定を実現して、TCの遮熱機構の雰囲気・圧力依存性を調べることを目的とし、遮熱機構の解明を目指すこととした。
熱拡散率測定にはレーザフラッシュ法を用いる。レーザフラッシュ法は非接触・非破壊で固体材料の熱拡散率を測定することが出来ることから、研究の目的とする高温高圧下での測定に適していると考えて採用した。レーザフラッシュ法を用いて高温・加圧雰囲気下での熱拡散率測定を行った例は無いので、新しい試みである。
研究期間の初年度である昨年度はレーザフラッシュ法に適用できる高温高圧セルを設計を行い、製作を進めた。２年目となる本年度に、初年度に設計した高温高圧セルを入手した。製作した高温高圧セルを測定に適用するため、セルの構造を再検討して改良を加えるとともに、セル内の試料保持部分の設計と測定に必要な光学系の設計・組み立てを行った
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
昨年度に設計して製作を進めていた加圧雰囲気下測定用の高温高圧セルを、今年度4月に入手することが出来た。
製作した高温高圧セルは、レーザフラッシュ法に適用するため、レーザ光と観測用赤外光が透過できることに加え、加圧雰囲気に耐えられる強度が必要がある。そのため、窓材の素材と厚さの制限があった。実際に出来上がってみると、窓材が当初の予定よりも厚く観測時の感度に影響がありそうであること、試料交換時にセルの開閉や組み立てがスムーズにいかないことが分かった。また、外形寸法は問題なかったがセルの重量が予想よりも重く、既存のレーザフラッシュ装置に組み込むことが難しいことも分かった。既存装置でのセルのテストが困難となったため、高圧セルに加圧ガスを封入する装置に据え付けた状態でレーザによるパルス加熱とそれに対する温度応答を観測する測定系を、改めて製作する必要性が生じ、測定系の設計と組み立てを実施した。更に、昨年度から持ち越しとなっていた、高圧セル内の試料保持部品の設計・製作も進めた。
研究計画よりも遅れているが、着実に課題を解決しながら装置開発を進めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
時間的な遅れはあるが内容は計画に沿って進めている。
昨年度に設計した高圧セルを今年度は入手できたが、製作したセルを実際に使用しようとすると課題があることが分かってきた。課題を解決するため、１）窓材の厚さと材料の見直し、２）セル内の試料保持部品の再設計、３）加熱用レーザ光を照射できる光学系と試料温度観測用の光学系からなる測定系を新たに構築 を進める必要がある。これらを対策の完了後に、常温における検証実験を実施する予定である。
検証実験は、A）常温・常圧において、標準物質および先行研究で測定したTC試料について、セルで従来通りの測定結果が得られることを確認する。B）常温において、加圧雰囲気をセルに封じ、熱拡散率測定を試行する。C）試行測定を室温よりも高温で行う。の順で進める予定である。
加圧雰囲気下での熱拡散率測定技術の開発は、新しい試みであるので課題解決に時間がかかっているが、着実に進めて実現したい。
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| Causes of Carryover |
初年度に高圧セルの設計に時間を要し、実際の納品が今年度の4月になった。更にセルを実際に製作して使用する段階になって見えてきた課題があり、研究計画よりも遅れているため、次年度使用額が生じた。今後は、課題をクリアしながら計画に沿う形でセルの改良や部品の設計・製作を進め、研究目標を達成すべく予算を有効に執行する予定である。
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