【研究分野】構造・機能材料

【研究領域課題番号】22246088 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

強度 / 靭性 / 破壊 / 疲労 / クリープ / 応力腐食割れ / 超塑性 / 摩耗 / その場観察 / TEM / ドメイン / 電子顕微鏡法 / セラミックス / 破壊・変形 / 粒界・界面 / 転位 / 原子配列

【研究成果の概要】

実際に材料を使用する外的な刺激の下における構造および特性の相関性を明らかにすることが実用材料の本当の構造-特性の相関性を理解することにつながる.本研究プロジェクトでは,外的な刺激を加えながら観察を行うその場電子顕微鏡法の開発およびその材料への応用を目的 として研究を行った.応力を加えた際のセラミックス中の転位の運動・双晶界面の形成などを 直接観察した他,圧電材料でのドメイン移動を直接観察することに成功したなどの成果が得ら れた.

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2010 - 2012

【配分額】46,800千円 (直接経費: 36,000千円、間接経費: 10,800千円)

【研究分野】無機工業化学

【研究領域課題番号】11875190 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

セラミックス / 強度 / 信頼性 / 高電圧 / スクリーニング

【研究成果の概要】

我々は既に高電圧印加により、機械的に弱い部材を抜き取る高電圧スクリーニング法を提案し、いくつかの系で実証している。本研究では、応力分布の異なる機械強度試験(三点曲げ、四点曲げ、二軸曲げ)を用い、その機械強度と絶縁破壊強度の相関について検討し、高電圧によるスクリーニングの試験方法依存性について知見を得た。
絶縁体試料としてチタニアセラミックスを用いた。市販粉末を一軸加圧により、直方体および円筒形に成型後、1400℃、3h焼成によりバルク試料を得た。ダイヤモンドカッターおよび手研磨により、4×12×0.3mm3およびφ=14mm,t=0.3mmの薄片試料を作製し、前者は三点曲げおよび四点曲げ試験に、後者は二軸曲げ試験に用いた。それぞれの場合について試料片を120枚作製し、半数でスクリーニング前の機械強度と絶縁強度の分布を測定し、30%の試料が絶縁破壊するスクリーニング電界を求めた。これを残りの試料に印加してスクリーニングを行い、絶縁破壊しなかった試料について機械強度分布を求め、スクリーニング前の分布と比較した。
スクリーニング前の機械強度の平均値は三点曲げ:188MPa、四点曲げ:128MPa、二軸曲げ:77MPaとなり、有効体積が大きくなるにつれ平均強度が減少することを確認した。スクリーニング前後の四点曲げ強度分布から、スクリーニングにより、低強度側が高強度よりにシフトし、強度分布が小さくなることがわかった。応力によるスクリーニング(保証試験)の理論線と比較すると、高電圧スクリーニングの結果はスクリーニング前と応力スクリーニングの中間に位置することがわかった。応力スクリーニングとの関係を三点曲げと四点曲げで比較すると、後者に対する高電圧スクリーニングがより応力スクリーニングに近いことがわかった。これは四点曲げの最大応力範囲が三点曲げに比べて大きく、高電圧スクリーニングの電界により近いためであると思われる。

【研究種目】萌芽的研究

【研究期間】1999 - 2000

【配分額】2,100千円 (直接経費: 2,100千円)

【研究分野】複合材料・物性

【研究領域課題番号】05302049 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

セラミックス / 強度 / 破壊靭性 / ハイブリッド型複合材料 / ナノ粒子分散複合材料 / 微細構造制御 / フェイルセーフ / ナノコンポジット / ハイブリッド複合材料 / 破壊 / 破壊靱性 / 力学的特性

【研究成果の概要】

セラミックスの強度、破壊靭性を目指した微細構造の制御には粒子分散による複合化が有効な方法であり、最近セラミックスの力学的特性の向上を目指したナノ粒子分散によるナノ複合材料に関する研究が進められている。今年度は、3種類のアルミナセラミックス基ハイブリッド型のナノ粒子分散によるナノ複合材料について、分散相のナノ化のメカニズムやナノ粒子の粒内分散による微細構造の制御効果を検討した。
(1)Al_2O_3/5vol%SiCナノ粒子分散複合材料:
微粒子のSiCはアルミナの粒内に存在するのに対し、より大きいSiCはアルミナの粒界に存在した。また、ナノ分散化過程はマトリックスの緻密化の程度と密接な関係があり、焼結が進むにつれてアルミナ粒界の移動によってアルミナの粒径が安定な大きさになり、分散SiCは粒内気孔のようにマトリックス内部に取り込まれていることがわかった。ナノ粒子分散により、強度、破壊靭性ともに向上した。
(2)Al_2O_3/SiC/YAGハイブリッド複合材料:
ミクロンサイズのYAG粒子とナノサイズのSiC粒子からなる等軸構造のAl_2O_3/SiC/YAGハイブリッド複合材料を製造することに成功した。アルミナの粒成長は抑制され、均質な微細構造が達成され、これにより力学的特性の向上が達成された。
(3)Al_2O_3/LaAl_<11>O_<18>複合材料:
繊維状に細長い強化相をもつ複合材料を製造した。強度、破壊靭性ともに強化相の体積含有率の増加とともに増加した。とくに破壊靭性は強化相のアスペクト比の増加とともに増加した。強化相による架橋およびクラックの偏向が高靭性化に寄与している。

【研究種目】総合研究(A)

【研究期間】1993 - 1995

【配分額】21,900千円 (直接経費: 21,900千円)

【研究分野】無機工業化学・無機材料工学

【研究領域課題番号】04555185 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

微小試験片 / 強度 / セラミックス / 寸法効果 / ワイブル分布 / 強度測定治具

【研究成果の概要】

セラミックスの曲げ強さ試験はJIS R1601によれば、大きさ3×4×36mmの試験片を多数必要とするが、部材中の強度の局所的分布、高価あるいは大試料作製不能な物質では、微小試験片でなければ強度測定は望めない。また、中性子照射の実験では、照射体積の有効利用などの理由から微小試験片が必要とされている。本研究では、最も小さいもので0.2×2×7mm程度の試験片を対象として、これら微小試験片を用いた強度試験方法の確立に必要となる基礎的な研究及びその応用を行った。
セラミックスの強度は試験片の形状、大きさ及び表面状態並びに試験条件の影響を受けやすいので、測定時の誤差が生じにくい試験方法を選択することが大事となる。またセラミックスの強度は試験片寸法に大きく依存するために、微小試験片から体積の大きな部材の強度を予測するには、強度の寸法効果が明らかでなければならない。
そこでまず、測定誤差が生じにくく、かつ取り扱いが容易である曲げ治具と、構造が簡単で小型の微小曲げ試験専用の強度試験機を試作した。また、微小試験に生じる誤差の原因として表面加工の影響、ねじれの影響、歪み速度の影響を調べ、誤差の少ない試験に必要となる試験片形状、表面粗さ、試験条件について検討を行なった。これらの治具と試験方法を用い、同一の試料から大きさの異なる試験片を取り出して強度測定を行い、試験片寸法が強度に及ぼす効果を調べた。ワイブルの寸法効果式の適合性について検討し、有効面積を用いた単一モードの寸法効果式が成立していることを明らかにした。この結果から、微小試験片の強度から標準試験片の強度を予測する方法を検討した。なお、実際に微小試験片を用いた強度試験の応用として、中性子照射したAlNの強度測定を行った。

【研究種目】試験研究(B)

【研究期間】1992 - 1993

【配分額】9,100千円 (直接経費: 9,100千円)