研究課題/領域番号 |
22K14494
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研究種目 |
若手研究
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配分区分 | 基金 |
審査区分 |
小区分26030:複合材料および界面関連
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研究機関 | 国立研究開発法人物質・材料研究機構 |
研究代表者 |
大熊 学 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 構造材料研究拠点, 研究員 (70838945)
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研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2024-03-31
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研究課題ステータス |
交付 (2022年度)
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配分額 *注記 |
4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)
2023年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
2022年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円)
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キーワード | セラミックス基複合材料 / 放射光X線CT / 亀裂・欠陥 / 焼結 / 複合材料 / セラミックス / 高温変形・破壊 |
研究開始時の研究の概要 |
セラミックス基複合材料(CMC)の力学機能発現のためには, マトリックスの気孔/空隙や繊維とマトリックスに沿った初期亀裂から進展する主亀裂と繊維の3次元的な空間分布を完全に把握し, 特定のマトリックス亀裂と繊維の破壊の相関を理解する必要がある. 本研究では, SPring-8のマイクロCTとナノCTを組み合わせた放射光マルチスケールCTを複合材料(SiC/SiC)へ適用し, 破壊機構の解明と高信頼性材料設計の手がかりを得ることを目的とする. CMC内部で径10μmの繊維表面を進行する剥離現象を世界で初めて3次元的に観察し, 得られた知見を理論解析, 数値解析などに取り入れ, 新たな最適界面設計基盤の構築を目指す.
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研究実績の概要 |
令和4年度は, SPring-8の放射光X線CT実験を年2回実施した. 設計・製作した小型引張試験機で引張試験中の段階的なセラミックス基複合材料(CMC)内部の亀裂進展のX線CTその場観察に成功した. 本実験では, 酸化物系CMC(Ox/Ox)であるアルミナを用いた. 1100℃で焼結した試験片は繊維とマトリックスの界面は用意に剥離しており, 破面から繊維が引き抜けている . 一方, 1200℃で焼結した試験片は母材と繊維が接着しており, 破面は全体的に平坦で個々の繊維というより繊維束単位での破壊が顕著であった. (1100℃の試験片よりも低強度で破断した.) 放射光X線CTの引張試験その場観察では, どのような箇所から破壊が進展するかを直接捉えることができた. これにより, 破壊機構の解明と高信頼性材料設計の手がかりを得た.また, 複合材料にも用いられるアルミナ顆粒の通電加圧焼結(SPS)の負荷加圧(30-50MPa)によって, どのように粉体充填後の粗大欠陥が除去されるかを放射光X線CTとFE-SEMにより調査した. SPS30MPa後には顆粒の三重線に沿った三角形の隙間から形成されたロッド状欠陥が観られたが, 50MPaでは分裂によって消滅した. SPS50MPa後も小さな複雑な気孔や潰れた楕円体の多孔質領域は残留した. SPS50MPaでは常圧焼結後に見られたような亀裂状欠陥は取り除くことができた.
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現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
SPring-8の放射光X線CTを用いて, 酸化物系セラミックス基複合材料の原料粉末の常圧焼結中の不均質な構造を3次元可視化することに成功した. これまでのSEM観察等では検知できない欠陥の不均一な分布を広い領域で観察する手法を確立できた. 本研究成果は, 国際学術誌に論文発表を行い, 招待講演も行った. また, 引張試験中の段階的なセラミックス基複合材料内部の亀裂進展の放射光X線CTデータも取得済みであり, 現在解析を進めているところである. 以上の理由により, おおむね順調に研究が進展していると考えている.
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今後の研究の推進方策 |
令和4年度に取得したデータの解析を進め, モノリシックセラミックスや複合材料内部損傷機構と不均質構造の関連を解明する. また, 令和5年度も継続してSPring8で放射光X線CT実験を実施し, ナノスケールでの引張試験中の界面剥離現象を観察したいと考えている.
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