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2015 年度 実施状況報告書

セラミックス積層材の焼結過程での発生応力評価モデルの構築

研究課題

研究課題/領域番号 25420706
研究機関東京工業大学

研究代表者

安田 公一  東京工業大学, 理工学研究科, 准教授 (20191306)

研究分担者 田中 諭  長岡技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (20324006)
研究期間 (年度) 2013-04-01 – 2017-03-31
キーワードセラミックス / 積層材 / 焼結 / 成形体 / 均質性 / 欠陥 / 顆粒の崩壊 / 確率論
研究実績の概要

本研究では,代表的なセラミックスに対して,成形体から半焼成体を経て焼結体に至るまでの機械的性質,熱膨張係数,焼結ひずみの変化を測定して,これらの材料で構成されるセラミックス積層材中に焼結過程で発生する応力を定量的に評価するための応力評価モデルの構築を行うことを目的とする.また,これに合わせて,高温下での仮焼体の応力/ひずみ関係を調べ,焼結過程における粒子構造変化と構成方程式の関係を議論することも行う.これらの検討により,積層材の最適設計構造設計の基礎的な考え方を確立することとしている.理論解析については,既に,最初の2年間で,一般的なモデルが構築できており,当初の予定では,後半の2年間では,仮焼体の構成方程式に研究を進めるつもりであった.しかし,昨年度の研究により,成形体の均質性が,発生応力そのものと同様に,焼結過程での亀裂発生に大きな影響を与えることが推測されたので,平成27年度には,この成形体の均質性について,理論と実験の両面から集中的に検討することにした.
具体的には,研究代表者は,ヤング率が半径方向で変化する球状成形体に対して(通常の材料力学では,ヤング率が一定の場合が解かれている),外部から等方圧を負荷したときに成形体内に発生する応力分布を求めるための新たな微分方程式を理論的に導出し,また,それを数値計算で解くことにより,加圧成形時の成形体に発生する不均質な応力分布を求めた.さらに,その応力分布に破壊位置の確率論を適用して,顆粒の崩壊確率の半径方向依存性を計算する手法を開発した.また,研究分担者は,アルミナ単層材の欠陥生成の様子を,仮焼温度を変えながら逐次観察して,顆粒の変形,粒子の移動,気孔の集積の観点から,実験的に欠陥生成を検討し,むしろ,焼結の後半では,巨大気孔が成長するとことを明らかにした

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

平成25年度には,研究の全期間で構築予定であった積層材の焼結中における内部応力評価モデルについて,弾性体だけでなく,弾塑性体,粘性体,粘弾性体に構成方程式を拡張することができ,また,3層積層材からn層積層材や連続分布の場合にも一般化することができた.そういう意味では,本研究の当初の目的は,この時点でほぼ達成されたことになる.そして,平成26年度は,これらの理論解析の結果を国内外の会議で発表することを重点的に行ってきた.また,実験的検証については,国内外の発表に時間を取られたため,当初,予定していた実験は十分にできなかったが,アルミナセラミックス中の亀裂生成を超音波探傷で検出することと,窒化ケイ素単層材の1700度までの熱膨張係数を検討することは実施できて,それらの結果も国内外の会議で発表した.また,分担者による研究では,単層材焼結中の欠陥生成は,成形時の顆粒の崩壊過程に影響されるので,成形体の均質性をキチンと評価してから,単層材の特性評価や高温での構成方程式を検討する必要性があることがわかった.これらの結果を受けて,さらに,平成27年度には,焼結過程での発生応力と同様に,亀裂生成に重大な影響を与える成形体の均質性に,研究代表者と研究分担者で集中して検討し,理論と実験の両面で,新たな知見を得ることができた.
このように,本研究の当初の目的であるモデルの構築は,すでに達成されており,仮焼体の構成方程式についての実験については,まだ,十分行っていないが,その前に,成形体の均質性の評価が必要になったので,実験の計画を一部修正して検討を進めているところである.ただし,特に,研究分担者が平成27年度行った実験は,見方を変えると,仮焼体の構造変化を検討しているものであるので,そういう意味では,当初の計画については,大体,着手していると考えることもできる.

今後の研究の推進方策

平成27年度には,積層材の応力評価モデルの学会誌への投稿を予定していたが.実際には,研究代表者も,成形体の均質性についての理論解析(成形体中の顆粒崩壊の確率論)を,急遽,検討することとしたので,論文投稿は次年度の課題とすることにした(既に,部分的には,論文化はなされていることもあるので).また,来年度は,本研究課題の最終年度なので,これまでの研究を総括すると共に,さらに,積層材を含めたセラミックス材料の欠陥生成や応力問題を展開するための議論を,研究代表者と研究分担者で行って,次の研究課題に結びつけていければと考えている.

次年度使用額が生じた理由

研究計画変更のため

次年度使用額の使用計画

研究うち合わせの出張に用いる

  • 研究成果

    (20件)

すべて 2016 2015 その他

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 2件、 謝辞記載あり 1件) 学会発表 (15件) (うち国際学会 7件、 招待講演 4件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Stochastic analysis on ceramic granule collapse in powder compact during cold isostatic pressing2016

    • 著者名/発表者名
      Kouichi Yasuda, Satoshi Tanaka, Makio Naito
    • 雑誌名

      Advanced Powder Technology

      巻: 27 ページ: 940-947

    • DOI

      0.1016/j.apt.2016.02.032

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Coarse pore evolution in dry-pressed alumina ceramics during sintering2016

    • 著者名/発表者名
      Tsuyoshi Hondo, Zenji Kato, Kouichi Yasuda, Fumihiro Wakai, Satoshi Tanaka
    • 雑誌名

      Advanced Powder Technology

      巻: 27 ページ: 1006-1012

    • DOI

      10.1016/j.apt.2016.04.009

    • 査読あり
  • [雑誌論文] セラミックス信頼性技術の最新動向2015

    • 著者名/発表者名
      安田公一
    • 雑誌名

      セラミックス

      巻: 50 ページ: 485-488

  • [雑誌論文] 無機材料の複合強化2015

    • 著者名/発表者名
      安田公一
    • 雑誌名

      耐火物

      巻: 67 ページ: 427-443

  • [学会発表] 顆粒プレス成形体の不均質な焼結進行と粗大欠陥の発生2016

    • 著者名/発表者名
      本堂 剛, 加藤 善二, 田中 善二, 田中 諭, 若井史博, 安田公一
    • 学会等名
      2016年度日本セラミックス協会年会予稿集
    • 発表場所
      早稲田大(東京)
    • 年月日
      2016-03-14 – 2016-03-16
  • [学会発表] 直接観察による単分散顆粒の成形体における顆粒変形分布の評価2016

    • 著者名/発表者名
      澀谷竜明, 加藤 善二, 田中 諭, 安田公一
    • 学会等名
      2016年度日本セラミックス協会年会予稿集
    • 発表場所
      早稲田大(東京)
    • 年月日
      2016-03-14 – 2016-03-16
  • [学会発表] Observation of development of internal pores in dry-pressed alumina ceramics during sintering2016

    • 著者名/発表者名
      S.Tanaka, T.Hondo, F.Wakai, K.Yasuda
    • 学会等名
      40Th International Conference and Exposition on Advanced Ceramics and Composites, The American Ceramic Society
    • 発表場所
      Hilton Daytona Beach Resort and Ocean Center, FL(USA)
    • 年月日
      2016-01-24 – 2016-01-29
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] The Change in Stress Filed in Ceramic Powder Compact during Cold Isostatic Pressing2016

    • 著者名/発表者名
      Kouichi Yasuda, Satoshi Tanaka, Makio Naito
    • 学会等名
      40Th International Conference and Exposition on Advanced Ceramics and Composites, The American Ceramic Society
    • 発表場所
      Hilton Daytona Beach Resort and Ocean Center, FL(USA)
    • 年月日
      2016-01-24 – 2016-01-29
    • 国際学会
  • [学会発表] Thermal and Mechanical Properties of Y2O3 Stabilized ZrO2 Thermal Barrier Coatings2015

    • 著者名/発表者名
      Byung-Koog Jang, Kouichi Yasuda, H.T.Kim
    • 学会等名
      25th Annual Meeting of MRS-Japan 2015
    • 発表場所
      横浜市開港記念会館他(神奈川)
    • 年月日
      2015-12-08 – 2015-12-09
    • 招待講演
  • [学会発表] Development of Coarse Defects in Alumina Ceramics during Sintering2015

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Tanaka, T.Hondo, Z.kato, Kouichi Yasuda, F.Wakai
    • 学会等名
      25th Annual Meeting of MRS-Japan 2015
    • 発表場所
      横浜市開港記念会館他(神奈川)
    • 年月日
      2015-12-08 – 2015-12-09
    • 招待講演
  • [学会発表] Numerical Simulation for Stress Distribution in Powder Compact during CIP2015

    • 著者名/発表者名
      Kouichi Yasuda, Satoshi Tanaka, Makio Naito
    • 学会等名
      25th Annual Meeting of MRS-Japan 2015
    • 発表場所
      横浜市開港記念会館他(神奈川)
    • 年月日
      2015-12-08 – 2015-12-09
  • [学会発表] Thermal-Mechanical Propaerties of ZrO2-4mol% Y2O3 TBCs2015

    • 著者名/発表者名
      Byung-Koog Jang, Kouichi Yasuda, Seong-Won Kim, Yoon-Suk Oh, H.T.Kim
    • 学会等名
      The 32nd International Japan-Korea Seminar on Ceramics
    • 発表場所
      ホテルニューオータニ長岡(新潟)
    • 年月日
      2015-11-18 – 2015-11-21
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] The Effect of Elastic Inhomogeneity on Stress Distribution in Powder Compact during Cold Isostatic Pressing2015

    • 著者名/発表者名
      Kouichi Yasuda, Satoshi Tanaka, Makio Naito
    • 学会等名
      The 32nd International Japan-Korea Seminar on Ceramics
    • 発表場所
      ホテルニューオータニ長岡(新潟)
    • 年月日
      2015-11-18 – 2015-11-21
    • 国際学会
  • [学会発表] CIP成形体中のセラミックス顆粒の崩壊過程のモデリング2015

    • 著者名/発表者名
      安田公一, 田中諭,内藤牧男
    • 学会等名
      第23回日本機械学会機械材料・材料加工部門講演会論文集
    • 発表場所
      広島大(広島)
    • 年月日
      2015-11-14 – 2015-11-15
  • [学会発表] Continuum Model for Estimating Stress Distribution in Powder Compact during Cold Isostatic Pressing2015

    • 著者名/発表者名
      Kouichi Yasuda, Satoshi Tanaka, Makio Naito
    • 学会等名
      The 9th International Conference on the Science and Technology for Advanced Ceramics
    • 発表場所
      つくば国際会場(茨城)
    • 年月日
      2015-10-19 – 2015-10-21
    • 国際学会
  • [学会発表] 間等方加圧成形時の成形体中の応力分布推定に関する連続体モデル2015

    • 著者名/発表者名
      安田公一, 田中諭,内藤牧男
    • 学会等名
      2015年度粉体工学会秋期研究発表会講演要旨集
    • 発表場所
      大阪南港ATC(大阪)
    • 年月日
      2015-10-13 – 2015-10-14
  • [学会発表] フリーズドライ顆粒を用いて作製したアルミナ成形体および焼結体の構造評価2015

    • 著者名/発表者名
      澁谷竜明 , 加藤善二 , 田中諭 , 安田公一
    • 学会等名
      日本セラミックス協会第28回秋季シンポジウム
    • 発表場所
      富山大(富山)
    • 年月日
      2015-09-16 – 2015-09-18
  • [学会発表] Sintering of Hexagonal Boron Nitride with the Addition of Boron2015

    • 著者名/発表者名
      Kouichi Yasuda, Motohisa Kitamori, Masahiro Ibukiyama
    • 学会等名
      The 11th Pacific Rim Conference of Ceramic Societies
    • 発表場所
      International Conference Center, Jeju (Korea)
    • 年月日
      2015-08-31 – 2015-09-04
    • 国際学会
  • [学会発表] Stochastic analysis on ceramic granule collapse in powder compact during cold isostatic pressing2015

    • 著者名/発表者名
      Kouichi Yasuda, Satoshi Tanaka, Makio Naito
    • 学会等名
      The 5th International Conference on the Characterization and Control of Interfaces for High Quality Advanced Materials and the 5th Summer Symposium on Powder technology
    • 発表場所
      倉敷ロイヤルアートホテル(岡山)
    • 年月日
      2015-07-07 – 2015-07-10
    • 国際学会
  • [備考] 東京工業大学 物質理工学院 材料系 安田研究室ホームページ

    • URL

      http://www.cmc.ceram.titech.ac.jp/studies.html

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公開日: 2017-01-06  

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