2019 Fiscal Year Research-status Report
Virtual testing of self-healing ceramics toward backcasting-material design
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19K04088
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
尾崎 伸吾 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (20408727)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 自己治癒材料 / セラミックス / 有限要素法 / バーチャルテスト |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，自己治癒セラミックスの社会実装を達成するために，構造部材としての要求性能と材料の微視組織条件との関連付けを行うことのできるバックキャスティング型材料設計スキームの確立を目指す．その実現のため，初年度は，損傷―自己治癒構成モデル”および“破壊統計の数値解析手法” に関するバーチャルテスト（仮想数値実験）の方法論の基礎を構築した．
まず，損傷―自己治癒構成モデルについて，これまでに対象としてきたアルミナ/炭化ケイ素複合材以外にも，例えば世界的に注目され始めているMAX相セラミックスにも適用できるように拡張した．ここに，MAX相セラミックスは靭性が高く塑性変形を生じるため，非古典弾塑性論（下負荷面の概念）を導入することで対応した．また，自己治癒セラミックスでは，炎症・修復・改変期を通し，酸化生成物によるき裂充填機能と治癒部の高強度化を達成している．本現象を状態変数の発展則として組み込むにあたり，アレニウス式およびワグナー則に従った酸化反応速度論を採用した．これより，変動する温度・酸素分圧環境下での強度回復挙動の高精度シミュレーションを可能とした．さらに，自己治癒セラミックスの強度回復の程度を定量的に評価するための逆解析手法を構築した．
他方，数値シミュレーションと同時並で，焼結条件を制御したアルミナの強度試験と組織観察を実施した．特に，3水準の焼結温度条件下でのワイブル分布を取得し，破壊強度に関する現有データベースの拡充を図った．また，有限要素解析に基づく破壊統計の予測精度の検証を繰り返し，破壊統計の数値解析手法に用いる確率密度関数を規定した．2年目の研究計画を先取りし，アルミナを対象にサイズ依存性を加味した破壊統計の数値シミュレーションを実施するとともに，提案数値解析手法の有効性を示した．
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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
現在までに，当初計画通り進行している．1年目には，種々の自己治癒セラミックスを対象とした弾塑性―損傷―治癒構成モデルを構築する計画であったが，非古典弾塑性論の概念を導入することにより，これを達成した．また，MAX相セラミックスのwedge splitting testの数値シミュレーションに提案構成モデルを適用し，その妥当性の検証も終えている．スピンオフ成果として，強度試験，アコースティックエミッションおよび数値シミュレーションを組み合わせた逆解析手法を提案した．本手法によると，これまで困難であった自己治癒セラミックスの強度回復特性の定量的評価が可能となる．これらの内容については，国際会議で発表するとともに，投稿論文としてまとめ終えた．
破壊統計の数値解析手法については，焼結条件を制御したアルミナの強度試験と組織観察を実施した．3水準の焼結温度条件下での破壊強度のワイブル分布を評価するとともに，数値シミュレーションで必要となる微視組織情報（欠陥のサイズとアスペクト比，粒径，相対密度）の確率密度関数を規定した．このように，当初計画通り，構造部材としての要求性能と材料の微視組織条件との関連付けを行うことのできるバックキャスティング型材料設計へ向けた準備を終えている．なお，サイズ依存性を加味した破壊統計の数値シミュレーションを既に実施し，その結果は学術論文に掲載されている．
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| Strategy for Future Research Activity |
2年目には，種々の試験片を構造部材と見立てた有限要素解析を実施する予定である．具体的には，異物衝突損傷や繰返し引張損傷を対象とし，エンジン内を想定した雰囲気環境での治癒挙動をシミュレートする．得られた結果を基に，“サイズ依存性を加味した破壊統計”，“強度回復の時間依存性”ならびに“繰り返し治癒性”の観点から部材としての要求性能を評価する．さらに，力学的・化学的に整合性の取れたシミュレーションの実現のために，既に提案している構成モデルの熱力学的制約条件についての検討を行う．特に，損傷⇔自己治癒の競合過程を対象に新たな散逸不等式のフレームワークを提案し，発展則の整合性を示す．また，数値シミュレーションと並行して，強度試験と組織観察を継続する予定である．
3年目にはデータベースとの比較を行うことで，構造部材としての要求性能と微視組織条件との関連付けを行えていることを実証する．またジェットエンジン用部材を対象に，要求性能を満足し得る微視組織条件をバックキャストし，焼結プロセスまで遡った組織設計・制御指針，自己治癒エージェントの選定・複合指針としてまとめる予定である．
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Research Products
(11 results)
