セラミックスの熱衝撃強度評価に関する研究

• 研究課題/領域番号: 01550066
• 研究種目: 一般研究(C)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 材料力学
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 渋谷 寿一 東京工業大学, 工学部, 教授 (60016417)
• 研究期間 (年度): 1989
• 研究課題ステータス: 完了 (1989年度)
• 配分額: 1,900千円 (直接経費: 1,900千円); 1989年度: 1,900千円 (直接経費: 1,900千円)
• キーワード: セラミックスケ / 熱衝撃 / 高温強度 / 熱応力 / 衝撃破壊 / 熱動弾性理論

研究概要

新素材としてのセラミックスは耐熱性、耐腐食性、耐摩耗性などに優れており、高温部材への応用が期待されている。しかし、ぜい性材料であたるため衝撃に弱く、特に高温での使用を目的とする場合は耐熱衝撃性に難点があり、強度部材として実用に供しにくい状態にある。本研究では、この問題点を解決することを目的とし、実験と理論解析により熱衝撃のメカニズム、および、その軽減法について研究したもので、本年度に実施した研究内容は以下の通りである。
1.水中急冷法によりセラミックス試験片に熱衝撃負荷を加える実験装置を製作した。本実験装置では、同時に多数の試験片を最高1000℃まで加熱し、水中に落下させて熱衝撃負荷を加えることができる。また、加熱に使用する電気炉はプログラム温度調節器により制御され、加熱中に任意の温度変化を試験片に与えることができる。この実験装置においては、(1)炉内の試験片が一様に加熱されること。(2)加熱後の試験片がスム-ズに水槽に落下すること、(3)試験片の温度が容易に測定できること、などが重要である。
2.構造用セラミックス材料として窒化けい素(Si_3N_4)を取り上げ、前項の装置を用いて熱衝撃実験を行なった。セラミックスは種々の寸法、形状に加工するのが容易ではないため、本実験ではまず円柱部と円錐部からなる試験片につて実験を行なった。現時点では、セラミックスなどのぜい性材料に特有の強度のばらつきのために、実験結果をまとめるには至っておらず、さらに多数の試験片について継続して実験を行なっている。
3.流体と試験片との間の熱伝達解析により試料内部き温度変化を求め、これに基づいて熱衝撃応力解析を行なって発生する熱応力を求め、理論的な面から熱衝撃強度に及ぼす各種因子の影響について検討中である。これにより、熱衝撃を軽減するための因子を明らかにする予定である。