セラミックス系先端繊維強化複合材料の衝撃および熱衝撃破壊に関する研究

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本研究では、計装化された落重から求められる荷重を動的に校正する動的荷重校正法により、動的破壊靱性(K_<Id>)を求め、セラミックス系複合材料の破壊靱性の負荷速度依存性を調べるとともに、セラミックス単体のK_<Id>の温度依存性を求め、高靱性化機構を検討した。実験材料は、Al_2O_3(結晶粒径5μm)、Si_3N_4(1μm)のセラミックス単体、及び、20%ウィスカ-強化のSiC(w)/Al_2O_3(ZrO_2添加、0,5,10,20%)、40%連続繊維強化のSiC(f)/LASガラスのセラミックス系複合材料とした。試験装置の落重には衝撃点から離れた位置に荷重測定用の歪ゲ-ジが貼布してあり、ゲ-ジの出力波形V(t)は、真の衝撃力に対応する入力波形I(t)と落重の伝達関数G(t)の畳込み積分として表される。まずI(t)が計測できるImpact Hammerで落重先端をたたき、その時のV(t)を測定し、周波数領域でG(t)を決定した。G(t)が既知であれば、衝撃試験時の出力波形V(t)から、真の衝撃力I(t)は逆畳込み積分により求められる。ZrO_2添加SiC(w)/Al_2O_3複合材料の破壊靱性は、負荷速度の上昇と共にK_<Id>はわずかに上昇しており、その上昇率はZrO_2添加量が多い方が大きい。SiC(f)/LAS複合材料の試験では、亀裂は必ずしも予亀裂方向に進展せず、線形破壊力学の適用には問題があること、及び負荷速度の上昇に伴い、破壊様相が剪断破壊型から繊維破壊型へ変化した。また、Al_2O_3、Si_3N_4の動的破壊靱性K_<Id>は温度の上昇とともにK_<Id>は減少した。その理由としては温度上昇に伴う(1)残留応力減少による微視亀裂発生の抑制、(2)粒界ガラス層の粘弾性変形に起因する破壊メカニズムの変化、(3)弾性率の減少、などが考えられる。