セラミックス系長繊維強化型複合材料の動的破壊機構の解析

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新たに開発した時間依存型界面要素を含んだ有限要素解析法を、SiC/SiC複合材料の動的破壊の一つであるクリープ変形による破壊現象に適応した。そして、実験で得られた初期クリープ変形、定常クリープおよび加速クリープ現象を、マクロ解析モデルを用いて再現することができた。しかしこれらのマクロ解析モデルでは、SiC/SiC複合材料を構成している繊維、マトリックスおよび界面の物理特性が不明瞭であった。そこで、複合材料中の繊維押込み試験、およびミニコンポジット(SiC繊維を一本だけ含んだ複合材料)の引張り試験結果について、界面要素を含んだ有限要素解析法のミクロ解析モデルを用いて解析を行った。これにより、繊維・マトリックス・界面のそれぞれの物理特性を明確にするとともに、三要素の相関を明らかにすることができた。さらに、ミクロ解析モデルとマクロ解析モデルとの相関を確立するため、新たに複合材料中の三次元的き裂進展現象を二次元的に再現可能な、擬似三次元界面要素を開発した。そしてSiC/SiC複合材料のき裂進展現象を、この擬似三次元界面要素含んだ有限要素解析法、およびマクロ解析モデルの両者を用いて解析し、両者の相関を確立することができた。つまり、SiC/SiC複合材料を構成する三要素の物理特性をもとに、SiC/SiC複合材料全体の動的破壊現象を解析可能なミクローマクロ解析モデルを構築することができた。一方、複合材料を含め様々な材料の動的破壊現象を調べる実験としてシャルピー衝撃試験がある。そこで、対象は鉄鋼材料ではあるが、シャルピー衝撃試験を行うとともに、界面要素を含んだ有限要素解析を用いて実験結果を再現することができた。また試験温度を変化させたシャルピー衝撃試験の解析結果より、き裂が進展するときに生成される新たな表面の表面エネルギーが、試験結果の主要因であることを明らかにした。