ジルコニア粒子分散柱状・ワラストナイト焼結体の作製と機械的熱的性質の研究

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機械加工可能で高温でのセラミックス型材として材料開発が望まれているワラストナイト焼結体の高強度化と熱的安定性の向上を目的として、ジルコニア粒子分散ワラストナイト焼結体の作製を行なった。ゾノトライトに5-15体積%ジルコニア粉末を添加した混合粉末を空気中700℃-1150℃で5時間焼成し、ジルコニア分散βーワラストナイト複合体を、1200-1400℃焼成でジルコニア分散αーワラストナイト複合体を作製した。ジルコニア分散ワラストナイト複合体では、700-1100℃焼成で、針状、柱状、板状ワラストナイトがマトリックス相を形成し、1150℃の温度では、板状粒子は急激な粒子再配列によって緻密化した。1200-1400℃焼成では、焼結温度の上昇とともに等軸粒子の粒成長が顕著となった。分散ジルコニア粒子はワラストナイトマトリックス中の粒界に均質に分布し、ジルコニア粒子添加量の増加とともに、ワラストナイトの粒成長は抑制された。ワラストナイト単味の破壊強度は30MPaと低強度であるが、ジルコニア分散によって高強度化し、5体積%ジルコニア分散βーワラストナイト複合体で、150MPaと5倍向上し、15体積%ジルコニア分散αーワラストナイト複合体では80MPaとなった。このような強度向上は、ジルコニア粒子分散によるマトリックス粒子の微細化と相転移強化機構によるものと考えられる。ビッカス硬度はジルコニア添加によってもほぼ一定値を示した。ジルコニア分散ワラストナイトの熱衝撃抵抗は、ハッセルマンの熱応力破壊モデルにおける初期亀裂の大きいモデルに適合し、大きなサイズの空孔が熱応力破壊源となることが判明した。ジルコニア添加量が増加すると、マトリックス粒子は微細化し、その結果として耐熱衝撃性が向上し、600℃の温度差でも約30MPaの強度を有し、ジルコニア無添加のワラストナイト単味焼結体と同程度の破壊強度となり、ワラストナイトへのジルコニア添加は有効であった。