傾斜組成制御による焼結材料の複合機能化

1993 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 03453064
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 渡辺 龍三 東北大学, 工学部, 教授 (20005341)
• キーワード: 傾斜機能材料 / 焼結材料 / 複合材料 / 材料設計 / 熱機械的性質 / 熱応力分布 / 組織の連続性 / 脆性 / 延性遷移

研究概要

前年度までに得られた焼結材料の傾斜組成制御のための最適設計案に基づいて作製した金属/セラミックス系耐熱傾斜機能材料について、レーザービーム熱衝撃試験および水素/酸素混合ガス炎加熱試験を実施した。とくにガス炎加熱試験においては、加熱/冷却サイクル時に発生する損傷をモニターするためにアコースティックエミッション計測も併用した。その結果、傾斜機能材料の損傷は、冷却時に表面からの縦亀裂として表われることが観察された。さらに加熱/冷却を繰り返すと、亀裂は金属に富む側に進展、偏向して別の方向から成長した亀裂と合体し、表面から剥離が起ることがわかった。実測した試料表・裏面温度に基づき有限要素法により試料内における応力分布を計算したところ、試料加熱時にセラミックス表面に1GPaオーダーの圧縮応力が発生し、そのためセラミックスが非弾性変形して、冷却時の引張応力の発生とそれに伴う縦亀裂の発生につながることが明らかになった。亀裂の進展と複合組織との関連より、セラミックスに富む側における靭性の制御が、本材料の耐熱機能の維持のために極めて重要であることがわかった。この点については複合組織を構成する金属相の連続性の制御が重要であり、そのためには原料粉の性状や傾斜材の作製プロセスの最適化が不可欠であることがわかった。一方、本傾斜機能材料の遮熱性は、熱抵抗値により合理的に評価され、前記縦亀裂発生時の加熱温度とともに、材料性能を表わす特性パラメータになり得ることが立証された。なお、本研究で得られた複合組織の連続性の制御についての知見は、他の傾斜機能材料、たとえば熱電変換材料における導電性や熱伝導特性を制御する上でも有用であり、今後広く応用されることが期待される。

研究成果

• [文献書誌] Ryuzo WATANABE,Akira KAWASAKI,Jing-Feng LI: "Fabrication of SiC-AlN/Mo Functionally Gradient Material for High Temperature Use" Plansee Seminar'93,(Proceedings of the 12th International Plansee Seminar,Reutte,Tirol,Austria). 5. 24-28 (1993)
• [文献書誌] Akira KAWASAKI,Ryuzo WATANABE: "Thermal Shock Fracture Mechanism of Metal/Ceramic Functionally Gradient Materials" Thermal Shock and Thermal Fatigue Behavior of Advanced Ceramics:(1993),G.Schneider and G.Petzow(eds.),Kluwer Academic Publishers. 509-520 (1993)
• [文献書誌] Ryuzo WATANABE,Akira KAWASAKI: "Improvement of Ductility of Ceramic Rich Region in Functionally Gradient Materials by Metal Fiber Premixing" Thermal Shock and Thermal Fatigue Behavior of Advanced Ceramics:(1993),G.Schneider and G.Petzow(eds.),Kluwer Academic Publishers. 499-508 (1993)
• [文献書誌] Ryuzo WATANABE,Akira KAWASAKI: "Microstructural characterization of metal/ceramic functionally gradient materials" To be published in the Proceedings of the 1994 Powder Metallurgy World Congress & Exhibition,Paris,1994.(1994)