放電プラズマ法を用いた短繊維複合延セラミックスの設計・合成・評価に関する研究

放电等离子体法短纤维复合材料轧制陶瓷的设计、合成及评价研究

• 批准号: 06855011
• 负责人: 橋田 俊之
• 金额: $ 0.64万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
• 财政年份: 1994
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 1994 至 无数据
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-06855011/
• 关键词: 複合材料; 短繊維; マルチプルクラック; ひずみ硬化挙動; 材料設計モデル; マイクロメカニックス; セラミック; 金属間化合物

本研究の目的は、セラミックス系短繊維複合材料を対象に、マイクロメカニックスモデルに基づく材料開発を実施し、マルチプルクラックひずみ硬化特性を有する高靭性セラミックスを創製することである。1.繊維ブリッジング応力-き裂開口変位の関係に基礎を置く短繊維強化材料設計モデルを構成した。モデルは繊維(寸法,体積含有率,弾性係数),マトリックス(破壊靭性,弾性係数)および界面強度の各パラメータを考慮している。これによりマルチプルクラックの発生条件、ひずみ硬化型材料の応力-ひずみ挙動を推定するモデルを提案した。2.放電プラズマ法により、以下の4種のセラミックスを燒結した結果、50MPaの加圧力、5minの加熱時間でSiCでは1800℃、ZrO_2,Al_2O_3,Si_3N_4では1600℃の温度で、いずれも燒結助剤を添加することなく、理論密度100%の緻密な固化体を得た。固化体の高温強度評価をスモ-ルパンチ試験法により実施した結果、通常のホットプレス法による燒結で作成した固化体よりも耐熱性に優れていることを見いだした。1500℃で最大2倍程度の強度を保持している。これにより、燒結助剤無添加の高温強度特性に優れたセラミックスの迅速な合成ルートを開発した。3.金属間化合物繊維の合成を目的に、Ni_3Alの放電プラズマ燒結実験を実施した結果、50MPaの加圧力、10minの加熱時間、1850℃の温度で緻密な固化体を得た。3点曲げ試験により、室温においても延性挙動を呈することを確認し、上記2で作成したセラミックスをマトリックス、本金属間化合物を繊維として複合化できる見通しを得た。今後、設計モデルを基礎に、さらに金属間化合物繊維複合セラミックス材料の完成を目指す。4.1に記した材料設計モデルの妥当性を検討するために、化学的セラミックの代表例であるケイ酸カルシウム(ゾノトライト)複合材料を水熱ホットプレス低温合成法で製作した。用いた繊維はポリエチレン(アスペクト比:500)である。体積含有率0.7%でマルチプルクラックを誘起することができ、ひずみ硬化型高靭性材料の開発に成功するとともに、構成したモデルの予測と調和的であることを確認した。本研究により、マルチプルクラックひずみ硬化型高靭性複合材料の設計モデルが開発できたといえる。

本研究的目的是开发基于微力学模型的陶瓷基短纤维复合材料，并制造具有多重裂纹应变硬化特性的高韧性陶瓷。 1.基于纤维桥接应力与裂纹张开位移之间的关系，构建了短纤维增强材料设计模型。该模型考虑了纤维参数（尺寸、体积含量、弹性模量）、基体参数（断裂韧性、弹性模量）和界面强度。基于此，我们提出了一个模型来估计多重裂纹发生的条件和应变硬化材料的应力应变行为。 2.采用放电等离子体法烧结以下四种陶瓷,SiC温度为1800℃,ZrO_2、Al_2O_3、Si_3N_4温度为1600℃,压力50MPa,加热时间5min。无需添加即可得到理论密度100%的固化物。使用小冲头试验方法评价固化材料的高温强度的结果发现，该固化材料比使用普通热压方法通过烧结制成的固化材料具有更好的耐热性。在1500℃时仍能保持两倍的强度。因此，我们开发了一种无需添加烧结助剂即可快速合成具有优异高温强度性能的陶瓷的路线。 3、以合成金属间化合物纤维为目的，进行了Ni_3Al的放电等离子烧结实验，在压力50 MPa、加热时间10 min、温度1850℃下得到致密的凝固材料。 。三点弯曲试验证实，即使在室温下，它也表现出延展性，我们现在有希望将上述2中制备的陶瓷作为基体，将金属间化合物作为纤维进行复合。未来，我们的目标是基于设计模型进一步开发金属间化合物纤维复合陶瓷材料。为了检验4.1中描述的材料设计模型的有效性，采用水热热压低温合成方法制备了化学陶瓷的典型例子硅酸钙（硬硅钙石）复合材料。使用的纤维是聚乙烯（长径比：500）。体积含量为0.7%时即可诱发多条裂纹，我们成功开发出应变硬化高韧性材料，并证实其与所构建模型的预测一致。通过这项研究，可以说已经开发出了多裂纹应变硬化高韧性复合材料的设计模型。

项目成果

H.D.Jeong,Y.G.Kweon,T.Hashida,H.Takahashi,and S.Ohmi: "Evaluation of Fracture Toughness and Micro-Fracture Mechanism of Porous Glass Composite by Using Acoustic Emission" Progress in Acoustic Emission VII. 7. 451-456 (1994)

H.D.Jeong、Y.G.Kweon、T.Hashida、H.Takahashi、S.Ohmi：“利用声发射评价多孔玻璃复合材料的断裂韧性和微断裂机理” 声发射研究进展七．

高橋 秀明、橋田 俊之: "熱応力と耐熱衝撃性" セラミックス. 29. 603-610 (1994)

Hideaki Takahashi、Toshiyuki Hashida：“热应力和耐热冲击性”陶瓷 29. 603-610 (1994)。