酸化誘起型自己治癒セラミックスのバックキャスト型材料設計指針構築のための基礎研究

建立氧化诱导自修复陶瓷背铸材料设计指南的基础研究

• 批准号: 16J00237
• 负责人: 吉岡 俊介
• 金额: $ 1.47万
• 依托单位: Yokohama National University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2016
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2016-04-22 至 2018-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-16J00237/
• 关键词: 自己修復材料; セラミックス; ジェットエンジン; 寿命評価; き裂治癒; Self-healing; ceramics

酸化誘起型の自己治癒機能を有するセラミックス(Oi-ShC)は、次世代航空機エンジンのタービン用部材として期待されている。酸化誘起型の自己治癒とは、き裂の発生により母材内部の治癒発現物質が高温大気中へ暴露される際の酸化反応を利用してき裂を充填・接合し、部材の強度をその場で回復する自律的機能である。この自己治癒により、Oi-ShCは予期せぬ突発的なき裂発生による信頼性低下を回避できるため、高度な安全性が要求される航空機用部材として有望である。しかしながら、実装が期待される高温域では治癒反応が不活性であるべき状態でも治癒発現物質の化学反応が進行し、治癒機能が劣化もしくは喪失する可能性がある。治癒機能を喪失したOi-ShCはき裂発生により通常のセラミックスと同様の強度低下を引き起こしてしまうため、高温かつ長時間の実稼働環境下における自己治癒機能の寿命に関する議論は必要不可欠である。そこで本研究では、Oi-ShCの自己治癒機能寿命の評価手法の提案を目的とした。本年度は、航空機エンジンの中圧タービン翼への実装が想定されるalumina/ SiC複合材を最も過酷な実稼働環境を模擬した雰囲気（1200C 1000 h 大気中）で経年劣化させ、その劣化が自己治癒能力に与える影響を調査した。その結果、①経年劣化処理に伴って内部酸化層が生成すること、②ある一定以上の内部酸化層を有する場合、理想的な治癒処理（1300C 1h）を施しても強度が完全に回復できないこと、③ある一定以上の内部酸化層を有する場合、き裂は完全に充填されずに最大欠陥として残存すること、の３点が明らかになった。以上より、自己治癒セラミックスの内部酸化層部分では自己治癒機能が発現できず、その成長に伴って自己治癒機能が劣化していくことが明らかになった。これらの結果を基に、自己治癒機能寿命の評価手法を提案した。

具有氧化诱导的自我修复功能的陶瓷（OI-SHC）预计将是下一代飞机发动机的涡轮组件。氧化引起的自我修复是一种自主功能，当暴露于基础材料内部愈合的物质因发生裂缝，填充裂缝并恢复成员的强度而导致基础材料内部的愈合的物质暴露于高温大气中时，使用氧化反应。这种自我修复允许OI-SHC避免由于意外突然的裂纹发生而导致的可靠性丧失，从而使其成为需要高安全性的有前途的飞机组件。但是，即使愈合反应在预期实施的高温范围内也应无效，愈合物质的化学反应可能会进展，并且愈合功能可能会恶化或损失。失去其愈合功能的OI-SHC导致强度与正常陶瓷的强度相似，因此对高温和长期生产环境中自我修复功能的寿命的讨论至关重要。因此，本研究旨在提出一种评估OI-SHC自我修复功能寿命的方法。今年，氧化铝/SIC复合材料预计将安装在飞机发动机的中型涡轮叶片上，随着时间的流逝，在模拟最严酷的操作环境（在大气中1200C 1000 h）的大气中会恶化，并且这种恶化对愈合能力的影响。结果，揭示了三个点：1）由于老化的治疗，形成了内部氧化物层； 2）如果有一定或更高的氧化物层，即使经过理想的愈合处理（1300C 1H），强度也无法完全恢复； 3）如果有一定或更高的内部氧化物层，则裂缝不会完全填充，并且仍然是最大的缺陷。从上面可以揭示出自我修复功能不能在自修复陶瓷的内部氧化层部分中表达，并且随着增长的增长，自我修复功能会恶化。基于这些结果，我们提出了一种评估自我修复函数寿命的方法。

项目成果

き裂治癒部の界面構造が自己治癒セラミックスの強度回復挙動に及ぼす影響

裂纹愈合区界面结构对自修复陶瓷强度恢复行为的影响

• 发表时间: 2016
• 作者: 吉岡俊介;中尾航
• 通讯作者: 中尾航

Strength recovery and crack-filling behaviour of alumina/ TiC self-healing ceramics

氧化铝/TiC自修复陶瓷的强度恢复和裂纹填充行为

• 发表时间: 2016
• 作者: Shunsuke Yoshioka;Wataru Nakao
• 通讯作者: Wataru Nakao

On the use of TiC as high-temperature healing particles in alumina based composite

TiC作为高温愈合颗粒在氧化铝基复合材料中的应用

• 发表时间: 2016
• 期刊: Journal of the European Ceramic Society
• 影响因子: 5.7
• 作者: Yoshioka;S.;Boatemaa;L.;van der Zwaag;S.;Nakao;W.;& Sloof;W. G.
• 通讯作者: W. G.