噴流を用いたセラミックス材料の熱衝撃における伝熱

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熱衝撃をうけるセラミックス材料の強度特性、および伝熱特性は一般に試験片全体を加熱し、急冷する方法により調べられている。しかし、実際には材料全体が一様に加熱されるのではなく、局所的に加熱され温度分布が一様ではない場合が多い。そこで、試験片を局所的に加熱するために赤外線放射加熱装置を、着実な急冷のために水の噴流を用いて、局所的熱衝撃を実現する実験装置を使用した。この装置では、試験片が円盤に装着され、その円周上に加熱部・冷却部が配置されてあり、両者間を移動し熱衝撃が与えられる。当年度は、当初の計画どおり、試験片を加熱部から急冷部へ移動させるステッピングモータを、パルスモータコントロールモジュールを介してコンピュータにより制御し、高速度での移動を可能とした。さらに、本研究の目的である、噴流による局所的な熱衝撃をうけるセラミックス材料の伝熱特性を調べるために、熱電対を挿入した試験片を作成する必要がある。しかし、熱衝撃をセラミックス材料に繰返し負荷するとしだいに強度が低下することが明らかになり、試験片表面にき裂が生じそれが進展していく、あるいは複数のき裂が生じると考えられる。このため、熱電対を挿入した試験片は作成せず、ビオ数を試験片板厚変えることにより変化させて、実験を行った。試験片寸法は、長さ60mm、幅10mm、厚さは0.5、1および2mmの三種類のアルミナセラミックを用いた。その結果、ビオ数が大きくなると、強度が急降下する臨界温度差はしだいに小さくなるが、その後一定になり変化しなくなることが分かった。つまり、局所的な熱衝撃では、板厚をある程度以上厚くしても熱衝撃特性は変化しないと考えられる。この原因を調べるために、局所的な熱衝撃での非定常熱伝導及び生じる熱応力を現在FEMで解析中である。今後、適切な実験方法により噴流による局所的熱衝撃の伝熱特性を調べる計画である。