水中衝撃圧力による難成形性粉末の衝撃圧縮過程の解析と材料の機能発現への応用

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爆薬の衝撃エネルギーを利用した粉末の衝撃圧縮法として、これまで種々の方法が試みられているが、衝撃波の反射や干渉により、圧縮体内部にクラックや空洞を生じるなど、欠陥のない良好な圧縮体の作製は困難であった。そこで、本研究者らは爆薬の爆轟により生ずる衝撃波を容器内の水中に伝播し、生ずる水中衝撃を反射・収束させることにより、極めて高い圧力に変換し、この高圧力により、各種粉末を内部に欠陥を発生させずに、圧縮固化する新しい衝撃固化法を開発した。本研究はこの衝撃固化装置による、粉末圧縮固化過程について衝撃工学的検討および作製した固化材料の高機能化について材料学的検討を行った。以下に研究成果の概要を報告する。(1)本研究者らが開発した衝撃圧縮装置を用いて、Cu/SUS304系、Ti/TiAl系、およびSUS304/Si3N4系の3つの系の傾斜機能材の製作を試みた。各系とも混合比を10vol%の割合で組成を変化させた混合粉末10種類を連続的に粉末充填部に連続的に充填し、衝撃圧縮した結果、EDX分析により、組成が連続的に変化した良好な傾斜機能材を作製する衝撃固化条件を確立した。さらに材料特性を調査した結果、Cu/SUS304系傾斜機能材は純Cuとほば同等の熱伝導性を示す事。Ti/TiAl傾斜機能材では熱サイクル試験にも十分耐えうる軽量強化材料が開発され、SUS304/Si3N4系傾斜機能材では、高遮熱性傾斜機能材料が開発できた。またSiCウィスカーを強化材としたSi3N4複合材を作製し、1973Kで焼結し、破壊靭性試験を行った結果、純Si3N4材に比較し、著しく破壊靭性値が向上することが知られた。(2)衝撃圧縮装置での衝撃圧力分布について、シュミレーション解析を行った結果、本実験装置のコーン状水槽の壁面により、衝撃波の収束が生じ、それに伴い圧力が上昇することが明らかになった。また本実験においては頂角約45ﾟの時に衝撃波を効果的に収束させることができた。