Measurement of delamination toughness of oxide environmental barrier coatings from SiC/SiC substrate

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18K04735
• Research Institution: Tokyo University of Technology
• Principal Investigator: 香川 豊 東京工科大学, 片柳研究所, 教授 (50152591)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 耐環境コーティング / 界面剥離 / 剥離抵抗 / フェーズアングル / EBC / 応力分布 / セラミックス複合材料 / CMC

Outline of Annual Research Achievements

耐環境コーティング（EBC）のSiC/SiC基材からの剥離を定量的に評価する際には、(SiC/SiC)/EBCシステムに荷重を加えた際にSiC/SiCの不均一構造によりEBC層内に発生する応力やひずみの分布の影響を考えることが重要である。本研究では、すでに構築した界面せん断剥離抵抗を測定する方法を対象とし、実験結果を解釈するために(SiC/SiC)/EBCシステムに存在する基材の不均一構造とコーティングの剥離の関係性を調べた。
まず、二次元モデルを用いた有限要素法解析を行い、基材の材料定数の変化により発生する応力分布がコーティングの剥離に与える影響について見積もった。基材が不均一構造をもつ場合、き裂長さが定常状態のき裂進展の条件を満たしている場合でも、フェーズアングル及びひずみエネルギー解放率は一定とならないことが明らかになった。
ついで、モデル材料を用いた実験、有限要素法解析により基材が不均一な構造をもつ場合のコーティングの三次元的なき裂進展の挙動を調べた。特に、基材の不均一構造がコーティングの剥離に与える影響について、主に界面破壊力学の理論に基づき考察した。その結果、EBC層内に生じる不均一応力/ひずみ分布のために、界面剥離クラック先端のフェーズアングルおよびひずみエネルギー解放率は一定とならず、クラック先端は基材の応力分布を反映した形状を有することが明らかになった。このような場合、実験から得られる荷重、フェーズアングル、ひずみエネルギー解放率はき裂全体の平均値であることがわかった。さらに、剥離の進展においても基材の構造の周期性を反映することが確認された。これらの三次元的な剥離の挙動は実際のSiC/SiCに適用されるEBCにも応用可能であるといえる。
最終年度である本年度は、以上の実験結果をふまえた研究成果の取りまとめも行った。