放電プラズマ法を用いた短繊維複合延セラミックスの設計・合成・評価に関する研究

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本研究の目的は、セラミックス系短繊維複合材料を対象に、マイクロメカニックスモデルに基づく材料開発を実施し、マルチプルクラックひずみ硬化特性を有する高靭性セラミックスを創製することである。1.繊維ブリッジング応力-き裂開口変位の関係に基礎を置く短繊維強化材料設計モデルを構成した。モデルは繊維(寸法,体積含有率,弾性係数),マトリックス(破壊靭性,弾性係数)および界面強度の各パラメータを考慮している。これによりマルチプルクラックの発生条件、ひずみ硬化型材料の応力-ひずみ挙動を推定するモデルを提案した。2.放電プラズマ法により、以下の4種のセラミックスを燒結した結果、50MPaの加圧力、5minの加熱時間でSiCでは1800℃、ZrO_2,Al_2O_3,Si_3N_4では1600℃の温度で、いずれも燒結助剤を添加することなく、理論密度100%の緻密な固化体を得た。固化体の高温強度評価をスモ-ルパンチ試験法により実施した結果、通常のホットプレス法による燒結で作成した固化体よりも耐熱性に優れていることを見いだした。1500℃で最大2倍程度の強度を保持している。これにより、燒結助剤無添加の高温強度特性に優れたセラミックスの迅速な合成ルートを開発した。3.金属間化合物繊維の合成を目的に、Ni_3Alの放電プラズマ燒結実験を実施した結果、50MPaの加圧力、10minの加熱時間、1850℃の温度で緻密な固化体を得た。3点曲げ試験により、室温においても延性挙動を呈することを確認し、上記2で作成したセラミックスをマトリックス、本金属間化合物を繊維として複合化できる見通しを得た。今後、設計モデルを基礎に、さらに金属間化合物繊維複合セラミックス材料の完成を目指す。4.1に記した材料設計モデルの妥当性を検討するために、化学的セラミックの代表例であるケイ酸カルシウム(ゾノトライト)複合材料を水熱ホットプレス低温合成法で製作した。用いた繊維はポリエチレン(アスペクト比:500)である。体積含有率0.7%でマルチプルクラックを誘起することができ、ひずみ硬化型高靭性材料の開発に成功するとともに、構成したモデルの予測と調和的であることを確認した。本研究により、マルチプルクラックひずみ硬化型高靭性複合材料の設計モデルが開発できたといえる。