タフな材料の探求
東京大学先端科学技術研究センター 榎 学
◆はじめに
材料がその形を保持しその機能を働かせるためには，その材料が一定の力学的特性を有することが必要である。そのための重要な特性として，“強さ”と“タフさ”があげられる。“強さ”は材料強度として知られており，平滑な部材に負荷した際に変形したり破壊したりするときの応力で表現される。一方，“タフさ”は破壊靭性として知られており，材料中に存在するき裂が進展するときの特性を表している。実際の材料はその程度の差ことそあれ，何らかの欠陥を有しており，材料の健全性を保証するためには，どうしても破壊靭性を考慮に入れることが必要となってくる。特に，宇宙ロケット，航空機のように何よりも安全性が要求される構造物にとっては，極限的な環境下でのタフな材料の探求が重要となってくる。また同様に，どの程度の欠陥が実際に存在するかを調べることも材料の使用にあたっては重要であり，すなわち非破壊評価という方法も非常に大切である。そこで，我々の研究室においては，(1) 高温材料であるセラミックスの分散粒子を用いた高靭化，
(2) 金属間化合物の金属との積層化による高靭化，
(3) それら材料のき裂進展の際のシミュレーション，
(4) 最終破壊以前の微視破壊現象のＡＥ(アコースティック・エミッション)による評価，
に取り組んでいる。
◆セラミックス複合材料
セラミックスは高温構造材料として期待されるが，その原子構造に依存する本質的な脆性がその本格的な利用を妨げている。このような脆性材料の高靭化の機構としては，き裂の偏向，き裂面の架橋，微視割れによる応力緩和等いくつかの機構が提案されており，簡単にいえばそれらはいずれもき裂の先端に障害を設けて，き裂の進展を阻止しようとするものである。したがって，多くの場合あるセラミックスに他のセラミックス粒子を入れることにより，高靭化すなわちき裂進展抵抗の向上を図ることが可能である。このような高靭化機構の概念を図１に示す。
このようなセラミックス複合材料の作製にはホットプレスを用いている。所定の量のセラミックス粉末を溶媒中で撹拌した後，それを乾燥させ，さらにホットプレスに入れて，加熱しながら加圧することにより，材料の焼成を行う。この装置を用いることにより，比較的低温で緻密なセラミックスの作製が可能となる。図２には，炭化ケイ素に20%アルミナを入れた複合材料の，き裂進展抵抗を示す。図からわかるように，炭化ケイ素単体に比べて複合材料ではき裂進展の抵抗が上昇している。
に比べて大きな靭性が得られることがわかる。またき裂が進展するに伴い抵抗が大きくなるＲカーブ挙動を示している。また Ni 層の割合が大きくなるにつれて，抵抗が大きくなることもわかる。またこれらの挙動はき裂の架橋による高靭化モデルを用いて説明することができる。
