積層型セラミックス複合材料の熱衝撃破壊機構の解析

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積層型セラミックス複合材料の熱衝撃破壊機構を実験的に把握するため、高密度な積層型SiC/Sic複合材料板を試験片として、電子ビームを熱源とした熱衝撃試験を行った。その結果、高密度のSiC/SiC複合材料であっても、複合材料板の表面を研磨していない試験片を用いた場合には、熱源が照射された複合材料板表面の損傷が大きく、熱が板全体に伝わらず、積層面間での剥離は観察されなかった。そして、表面研磨を行ったSic/SiC複合材料板を試験片とした場合には、積層面間で剥離する結果が得られた。しかし、全ての試験片で剥離するのではなく、研磨表面に欠陥が多い場合には、表面が損傷するだけであった。この原因としては、SiCの熱伝導率が低いため、欠陥が存在する場合には熱が局部的に集中するためであることが分かった。また積層面で剥離が生じる場合には、熱を照射した面に最も近い積層面で剥離が生じた。これは、積層型SiC/SiC複合材料における積層面での欠陥が多いことが、主な原因であると分かった。一方、熱衝撃試験下における微小き裂を起点とした層間剥離を解析する手法として、き裂の発生・進展を新しいき裂表面の生成という立場でとらえた、界面要素を含んだ有限要素法を用いて、動的熱伝導-弾性波伝播連成解析法を開発した。この開発した解析法では、均質体だけでなく、積層型SiC/SiC複合材料のような、製造プロセス上、試験片内部に残留応力を含むような材料についても解析が行えるものである。なお、この残留応力の影響については、異材継手を対象とした汎用の有限要素法による解析結果と比較検討し、本解析法の有効性を明らかにした。