Trans-process analysis of ceramics: Optimization guidelines for strength-toughness-healing

強度－靭性－治癒性が相補的関係を織りなす自己治癒セラミックスの信頼性向上には，(1)破壊の起点になり得る欠陥の存在確率を把握することで強度のばらつきを制御し；(2)サイズや配向性が制御された結晶粒に沿ってき裂を誘導することで高靭性化を図り；そのうえで，(3)所定の環境下で自己治癒を繰り返し発現させる必要がある．本研究では，セラミックスの高信頼性化に対して最大の障壁となっている『内部欠陥の確率的分布特性とその起源』を解析的に推定することに取り組んだ．実績を下記にまとめる．①連続体に基づく欠陥消滅モデルを用いて成形体内欠陥の焼結中の変化を数値的に予測した．また，成形体内の欠陥サイズ分布を確率密度関数でランダムに生成し，多数の欠陥の変化を一度に計算するためのスキームを構築した．本スキームは常圧焼結や加圧焼結など，複数の焼結条件に対応している．さらに，計算された焼結後の多数の欠陥サイズ分布を用いて，焼結体の強度ばらつきの予測手法と連結した．このように，セラミックスの成形－焼結－部材間のトランスプロセス解析の基礎を構築することができた．②自己治癒セラミックスの材料開発においては，活性化エネルギーや頻度因子などの反応速度論パラメータの把握が不可欠である．そこで本研究では，各種自己修復セラミックスの反応速度論パラメータを決定する方法を提案した．また，代表的な自己治癒セラミックスである「アルミナ／炭化ケイ素」，「アルミナ／窒化ケイ素」および「アルミナ／MAX相」を対象にその妥当性を実証した．提案した方法は，異なる治癒剤で強化されたマトリックスを持つ他の自己治癒セラミックスにも適用でき，強度回復試験の種類に関係なく，複合材料の治癒能力を公平に議論することができる．

強度－靭性－治癒性が相補的関係を織りなす自己治癒セラミックスの信頼性向上には，(1)破壊の起点になり得る欠陥の存在確率を把握することで強度のばらつきを制御し；(2)サイズや配向性が制御された結晶粒に沿ってき裂を誘導することで高靭性化を図り；そのうえで，(3)所定の環境下で自己治癒を繰り返し発現させる必要がある．本研究では，セラミックスの高信頼性化に対して最大の障壁となっている『内部欠陥の確率的分布特性とその起源』を解析的に推定することに取り組んだ．実績を下記にまとめる．①連続体に基づく欠陥消滅モデルを用いて成形体内欠陥の焼結中の変化を数値的に予測した．また，成形体内の欠陥サイズ分布を確率密度関数でランダムに生成し，多数の欠陥の変化を一度に計算するためのスキームを構築した．本スキームは常圧焼結や加圧焼結など，複数の焼結条件に対応している．さらに，計算された焼結後の多数の欠陥サイズ分布を用いて，焼結体の強度ばらつきの予測手法と連結した．このように，セラミックスの成形－焼結－部材間のトランスプロセス解析の基礎を構築することができた．②自己治癒セラミックスの材料開発においては，活性化エネルギーや頻度因子などの反応速度論パラメータの把握が不可欠である．そこで本研究では，各種自己修復セラミックスの反応速度論パラメータを決定する方法を提案した．また，代表的な自己治癒セラミックスである「アルミナ／炭化ケイ素」，「アルミナ／窒化ケイ素」および「アルミナ／MAX相」を対象にその妥当性を実証した．提案した方法は，異なる治癒剤で強化されたマトリックスを持つ他の自己治癒セラミックスにも適用でき，強度回復試験の種類に関係なく，複合材料の治癒能力を公平に議論することができる．