成果報告書詳細
管理番号20120000000562
タイトル平成20年度~平成23年度成果報告書 ナノテク・先端部材実用化研究開発/新幹線用ハイブリッドセラミックスディスクブレーキ部材開発(5)
公開日2012/6/8
報告書年度2008 - 2011
委託先名国立大学法人東京大学
プロジェクト番号P05023
部署名電子・材料・ナノテクノロジー部
和文要約炭素繊維-SiCのハイブリッドセラミックス部材と金属部材をボルトとナットを用いて締結する場合のハイブリッドセラミックスに生じる損傷現象を最小に抑制するとともに、締結部分での力学特性を保持するために必要なハイブリッド組織を検討した。ハイブリッドセラミックスの破壊抵抗を発現させるためには材料中でマイクロクラックの発生は不可欠である。一方、マイクロクラックの発生によりハイブリッドセラミックスで作製した部材自体の剛性が低下することは避けられない。この相反する問題を解決することが、将来ハイブリッドセラミックスを部材として利用する場合に重要である。ハイブリッドセラミックス中に生じたマイクロクラックの安定性を調べ、破壊抵抗の大きな炭素繊維とSiCの複合化相によるクラックを止める効果を利用することが有効である。炭素繊維の軸方向に垂直な方向で発現する大きな破壊抵抗機能を利用するものである。一方、繊維軸方向にクラックが発生すると容易にクラックが進展してしまうことも明らかになった。この結果から、ハイブリッドセラミックス中のマイクロクラックが発生し易いSiC、Si、C相の周囲に大きな破壊抵抗を持つ炭素繊維とSiCの複合化相を最適に分散させることが必要であることが明らかになった。また、モデル解析によりクラック面間での摩擦係数を大きくすることがクラックの安定性確保に有効であることが確認された。さらに、本プロジェクトで開発されたハイブリッドセラミックスではマイクロクラックの存在を許容することが必要であり、平成22年度までに行った損傷力学を用いた使用時に導入される損傷の定量評価手法を利用するためには、非破壊検査手法の開発が必要であると考えられた。今後は、部材の締結部を模擬した状況下での損傷パラメータの取得や巨視的な損傷パラメータとハイブリッドセラミックス内部で生じている損傷のより詳細な検討も高信頼性を確保した安全安心な新幹線用ディスクブレーキとしての実用化には必要である。
英文要約Research and development have been focused on mechanical fastening methods of carbon fiber-SiC hybrid ceramics. To obtain high performance of the hybrid ceramics, formation of microcracks is necessary, while the cracks reduces stiffness of hybrid components and leads loosening of mechanical fastening. To solve this opposite problems simultaneously, introduction of stable microcracks is one of the best ways for minimum reduction of stiffness. In the present study, stability of microcracks formed in weak phases, such as SiC, Si and C, is discussed with high fracture resistance carbon fiber-SiC composite phase. When crack in a brittele phase is formed perpendicular to carbon fiber axis in the carbon fiber-SiC composite phase, the crack is possible to stop. On the contrary, when crack is formed parallel to fiber axis direction of the fiber axis, the crack is easily propagated. Optimum arrangement of tough phase is needed to obtain high performance hybrid ceramics and reduce stiffness loss in components. Increase of coefficient of friction between cracked surfaces is also effective to increase stability of microcracks. Application of the present procedure and damage mechanics base parameters seem effective tool for future research and development of hybrid ceramic applications. Further research and development are needed to assure reliable mechanical fastening between carbon fiber-SiC lightweight high performance hybrid ceramic and metal components. In addition, development of suitable nondestructive evaluation method is needed to obtain reliable and safety application of the hybrid ceramic components to “SHINKANSEN” brakes disk applications.
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