BA活動における先進SiC/SiC複合材料の破損基準策定に向けた課題と取り組み; 亀裂進展挙動と破壊抵抗

Issues and progress in determination of the basis for failure evaluation of advanced SiC/SiC composites in BA activities; Crack propagation behavior and fracture resistance

野澤 貴史; 谷川 博康

Nozawa, Takashi; Tanigawa, Hiroyasu

SiC/SiC複合材の擬延性挙動は、微視的亀裂の累積的な蓄積過程からなり、本質的には非可逆的な破損を意味する。そのため、その使用限界を定める設計基準が延性金属などの基準とは異なる。このような背景のもと、BA活動において、SiC/SiC複合材の設計基準策定に向けた検討を開始した。具体的には、(1)評価指標の定義,(2)評価試験法の規格化,(3)強度特性データベースの構築を段階的に実施する。評価指標の定義に際し、母材部亀裂導入により開始する破損過程の理解は重要である。本研究では複合材の破壊抵抗の評価を主目的に、片側ノッチ曲げ試験により亀裂進展エネルギーについて議論した。レプリカ法による微細組織観察により、複合材の破損過程を、(1)初期の微細亀裂の発生,(2)巨視亀裂の進展,(3)界面摩擦と繊維の累積破断による擬延性過程の三段階に分類した。特に除負荷ヒステリシス試験により各破損過程における非可逆エネルギーと正味の亀裂進展エネルギーを分離・評価することに成功し、SiC/SiC複合材料の亀裂進展にかかわる正味の破壊抵抗を得た。一方で、複合材の破壊抵抗のノッチ鈍感性を特定し、破損基準を考えるうえで応力評価が妥当との結論を得た。

Due to the cumulative accumulation of micro cracks, fracture behavior of SiC/SiC composites is generally quasi-ductile with irreversible damages. Therefore the design basis for this class of material is quite different from that for ductile metals. Accordingly, BA activity aims to develop the design basis for SiC/SiC composites with three pragmatic phases: (1) definition of design parameter, (2) standardization of test methods, and (3) data-basing. This study aims to evaluate fracture resistance of SiC/SiC composites. Importantly, crack propagation behavior was investigated by the single-edge notched-bend technique. Test results identified failure process as: (1) micro-crack formation, (2) macro-crack extension and (3) interfacial friction and fiber breaks. Failure energy in each stage was successfully measured by hysteresis analysis, eventually giving a fracture resistance. Besides, with the fact of notch instability of composites, a stress criterion in composite failure was concluded.