金属間化合物基複合材料の強靱化

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TiAl基金属間化合物複合材料が高強度・高靱性を発揮するための要件、およびNb_3SnやNb_3Al金属間化合物繊維複合材料の強度のばらつきを低減するための要件、を明らかにすることを目的として実験と解析を行った。主な成果は以下のように要約される。(1)SiC/TiAl複合材では界面接着の最適化が高強度・高靱性を達成するための要件の一つであることを実験および破壊力学計算より明らかにした。具体的には界面剥離長さが100μm程度になれば応力集中は極めて低くなることを明らかにすると共に、界面剥離の臨界エネルギー解放率を約1J/m^2とすれば繊維への高応力伝達効率を維持しながらクラックの進展を阻止できることを示した。(2)SiC/TiAl複合材料の界面反応による強度低下は、マトリックス側に形成された反応層の早期破壊により形成されるクラックの繊維への進展によるものではなく、繊維表面の凹凸欠陥が化学量論性の低下した繊維表面を破壊することによることを明らかにした。これら実験結果と破壊力学的考察より、界面反応による劣化を防ぐには繊維の化学量論性を維持すること、界面反応のバリアとなる繊維へのコーテイング層としては低弾性率材が好ましいこと、さらに、コーテイング層と繊維界面の接着を弱くすることなどが強靱化のためには必要であることを示した。(3)Nb_3SnやNb_3Alは細線にするとおよそ1GPaの高強度を示すことを実験的に明らかにした。ただしそのばらつきは比較的大きくワイブルの形状係数で7-14程度であった。このようなばらつきの大きい繊維を金属マトリックスに埋め込んだ場合、複合材料全体としての強度のばらつきを小さくするためには、比較的降伏応力が高くかつ靱性の高い物質を母相に用いることが有効と考えられた。