JPH04285054A - 自己診断機能を有するセラミック材料 - Google Patents
自己診断機能を有するセラミック材料Info
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- JPH04285054A JPH04285054A JP3075661A JP7566191A JPH04285054A JP H04285054 A JPH04285054 A JP H04285054A JP 3075661 A JP3075661 A JP 3075661A JP 7566191 A JP7566191 A JP 7566191A JP H04285054 A JPH04285054 A JP H04285054A
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- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、主として構造用セラミ
ック材料に関するもので、特に、所定の荷重が作用した
とき音信号(アコースティク・エミッション信号、以下
「AE信号」と記す)を発生するセラミック材料に関す
る。このセラミック材料は、例えば、ガスタービンブレ
ードのように高温環境等の過酷な条件下で使用するセラ
ミック構造用材料に適用すると有効である。
ック材料に関するもので、特に、所定の荷重が作用した
とき音信号(アコースティク・エミッション信号、以下
「AE信号」と記す)を発生するセラミック材料に関す
る。このセラミック材料は、例えば、ガスタービンブレ
ードのように高温環境等の過酷な条件下で使用するセラ
ミック構造用材料に適用すると有効である。
【0002】
【従来の技術】セラミック材料は、元来ほとんど塑性変
形しない材料である。すなわち、セラミック部材に荷重
を作用する場合、その荷重が増大すると破断応力に達し
たときセラミック部材は瞬時に破壊する。そのため、セ
ラミック部材に外力が作用するとき、そのセラミック部
材が破損ないし破壊する前にセラミック部材に過大応力
が発生していることを検知する手法が見出されることが
望まれる。セラミック材料の破壊を未然に検知する従来
の方法としては、セラミック材料に繊維材を複合化する
ことによって、亀裂が生じても、繊維材によってセラミ
ック部材が瞬時に破壊するのを阻止する複合材料が提案
されている。
形しない材料である。すなわち、セラミック部材に荷重
を作用する場合、その荷重が増大すると破断応力に達し
たときセラミック部材は瞬時に破壊する。そのため、セ
ラミック部材に外力が作用するとき、そのセラミック部
材が破損ないし破壊する前にセラミック部材に過大応力
が発生していることを検知する手法が見出されることが
望まれる。セラミック材料の破壊を未然に検知する従来
の方法としては、セラミック材料に繊維材を複合化する
ことによって、亀裂が生じても、繊維材によってセラミ
ック部材が瞬時に破壊するのを阻止する複合材料が提案
されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来のセラミック材料は、亀裂が発生した後はその
材料の強度はもはや十分に大きくないため、その材料の
耐久性は使用不能の程度まで低下したものとなる。本発
明はこのような問題点を解決するためになされたもので
、外部負荷を増大すると破断応力が発生する以前の所定
値の応力値になったとき、著しい強度低下を伴うことな
くAE信号を発生し、外部負荷の軽減またはセラミック
部材の交換を促し、所定の処置を採ることでセラミック
材料の破壊を未然に防止し、信頼性を向上させたセラミ
ック材料を提供することを目的とする。
うな従来のセラミック材料は、亀裂が発生した後はその
材料の強度はもはや十分に大きくないため、その材料の
耐久性は使用不能の程度まで低下したものとなる。本発
明はこのような問題点を解決するためになされたもので
、外部負荷を増大すると破断応力が発生する以前の所定
値の応力値になったとき、著しい強度低下を伴うことな
くAE信号を発生し、外部負荷の軽減またはセラミック
部材の交換を促し、所定の処置を採ることでセラミック
材料の破壊を未然に防止し、信頼性を向上させたセラミ
ック材料を提供することを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】そのために本発明のセラ
ミック材料は、破断応力の90%以下の応力が発生する
とAE信号を発生することを特徴とする。前記セラミッ
ク材料の母材に粒子を分散したことを特徴とする。
ミック材料は、破断応力の90%以下の応力が発生する
とAE信号を発生することを特徴とする。前記セラミッ
ク材料の母材に粒子を分散したことを特徴とする。
【0005】セラミック母材としては、例えば、窒化珪
素、炭化珪素、アルミナ、サイアロン等を使用すること
ができる。セラミック母材に分散する粒子は、例えば、
炭化珪素、ホウ化チタン等を使用することができる。分
散する粒子にはセラミック母材と熱膨張係数の異なる材
料を使用することが望ましいが、同じ材料であっても表
面処理をすることにより使用することができる。粒子の
粒径は、5〜30μm程度が望ましく、板状の形を有す
る粒子がさらに望ましい。
素、炭化珪素、アルミナ、サイアロン等を使用すること
ができる。セラミック母材に分散する粒子は、例えば、
炭化珪素、ホウ化チタン等を使用することができる。分
散する粒子にはセラミック母材と熱膨張係数の異なる材
料を使用することが望ましいが、同じ材料であっても表
面処理をすることにより使用することができる。粒子の
粒径は、5〜30μm程度が望ましく、板状の形を有す
る粒子がさらに望ましい。
【0006】セラミック部材がAE信号を発生する応力
の上限値を破断応力に対し90%以下としたのは、この
値を超えると、安全性が充分に確保できないためにセラ
ミック部材が破壊に至りやすいためである。また望まし
くは下限値をセラミック部材の破断応力値の10%以上
の応力値としたほうが良い。この理由は、破断応力の1
0%未満の応力でAE信号を発生すると音発生の頻度が
大きくなり、例えば構造用セラミック材料としての使用
に適さないためである。
の上限値を破断応力に対し90%以下としたのは、この
値を超えると、安全性が充分に確保できないためにセラ
ミック部材が破壊に至りやすいためである。また望まし
くは下限値をセラミック部材の破断応力値の10%以上
の応力値としたほうが良い。この理由は、破断応力の1
0%未満の応力でAE信号を発生すると音発生の頻度が
大きくなり、例えば構造用セラミック材料としての使用
に適さないためである。
【0007】
【作用】本発明のセラミック材料によれば、セラミック
母材に粒子を分散させることにより、破壊する応力の9
0%以下でAE信号(音波)が検出され、そのセラミッ
ク材料自身が自己診断機能を発揮する。このAE信号が
例えばAEセンサ等の音センサにより検出されたとき、
セラミック部材を交換することで、セラミック部材の信
頼性を高めることができる。
母材に粒子を分散させることにより、破壊する応力の9
0%以下でAE信号(音波)が検出され、そのセラミッ
ク材料自身が自己診断機能を発揮する。このAE信号が
例えばAEセンサ等の音センサにより検出されたとき、
セラミック部材を交換することで、セラミック部材の信
頼性を高めることができる。
【0008】セラミック母材に粒子を分散させることに
より、セラミック部材が破壊する前にAE信号が検出さ
れる理由は次のように考えられる。すなわち、セラミッ
ク母材とこれに分散される粒子とで熱膨張が異なる場合
、焼結温度からの降温過程でセラミック母材と粒子の界
面に応力が発生する。この界面の応力が外部負荷の増大
により過大応力に達すると、界面の結合が切れクラック
が導入されるので、このクラックの導入時にAE信号が
発生されるからである。セラミック母材とこれに分散さ
れる粒子の熱膨張が同じ場合でも粒子表面を処理するこ
とで母材と粒子界面の結合を弱めることにより同様にク
ラックが導入される。この場合に導入されたクラックは
、界面だけに存在することから、大きなクラックには成
長せず、セラミック部材を瞬間的に破壊させることはな
い。また、クラックの入る負荷は、母材と粒子の結合強
度で制御することができる。
より、セラミック部材が破壊する前にAE信号が検出さ
れる理由は次のように考えられる。すなわち、セラミッ
ク母材とこれに分散される粒子とで熱膨張が異なる場合
、焼結温度からの降温過程でセラミック母材と粒子の界
面に応力が発生する。この界面の応力が外部負荷の増大
により過大応力に達すると、界面の結合が切れクラック
が導入されるので、このクラックの導入時にAE信号が
発生されるからである。セラミック母材とこれに分散さ
れる粒子の熱膨張が同じ場合でも粒子表面を処理するこ
とで母材と粒子界面の結合を弱めることにより同様にク
ラックが導入される。この場合に導入されたクラックは
、界面だけに存在することから、大きなクラックには成
長せず、セラミック部材を瞬間的に破壊させることはな
い。また、クラックの入る負荷は、母材と粒子の結合強
度で制御することができる。
【0009】
【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。
実施例1〜実施例5
実施例1〜実施例3は、それぞれ窒化珪素、サイアロン
、アルミナを母材とし、炭化珪素板状粒子を分散粒子と
した。実施例4および実施例5は、炭化珪素を母材とし
、分散粒子としてそれぞれ炭化珪素板状粒子(C被覆)
、ホウ化チタンを使用した。炭化珪素板状粒子は最大径
15μm、厚み3μm、ホウ化チタンは平均粒子径5μ
mのものを使用した。比較例1〜比較例4は、それぞれ
窒化珪素、サイアロン、アルミナ、炭化珪素を母材とし
、粒子を分散しなかった。
、アルミナを母材とし、炭化珪素板状粒子を分散粒子と
した。実施例4および実施例5は、炭化珪素を母材とし
、分散粒子としてそれぞれ炭化珪素板状粒子(C被覆)
、ホウ化チタンを使用した。炭化珪素板状粒子は最大径
15μm、厚み3μm、ホウ化チタンは平均粒子径5μ
mのものを使用した。比較例1〜比較例4は、それぞれ
窒化珪素、サイアロン、アルミナ、炭化珪素を母材とし
、粒子を分散しなかった。
【0010】まず、母材70 vol%に粒子を30
vol%加え、湿式ボールミルにより24時間混合し、
分散した。このとき、焼結助剤を同時に混合した。焼結
助剤は、母材に対して窒化珪素を母材とする場合にY2
O3 およびYb2 O3 をそれぞれ3.4wt%
、13.8wt%添加し(実施例1、比較例1)、サイ
アロンを母材とする場合にY2 O3 を0.5wt%
添加し(実施例2、比較例2)、炭化珪素を母材とする
場合にB4 CおよびCをそれぞれ1wt%、2wt%
添加した(実施例4、比較例4)。得られたスラリーを
熱風乾燥機により120℃で24時間乾燥後、乾燥物を
解砕し149μmの篩を通して成形用粉末を得た。粉末
をホットプレス用成形型に充填し、ホットプレスを行っ
た。ホットプレス圧力は300kg/cm2とし、温度
は窒化珪素、サイアロン、アルミナ、炭化珪素を母材と
する場合にそれぞれ1900℃、1800℃、1500
℃、2000℃とし、1時間保持した。雰囲気は窒化珪
素またはサイアロンを母材とする場合に窒素を使用し、
アルミナまたは炭化珪素を母材とする場合にアルゴンを
使用した。
vol%加え、湿式ボールミルにより24時間混合し、
分散した。このとき、焼結助剤を同時に混合した。焼結
助剤は、母材に対して窒化珪素を母材とする場合にY2
O3 およびYb2 O3 をそれぞれ3.4wt%
、13.8wt%添加し(実施例1、比較例1)、サイ
アロンを母材とする場合にY2 O3 を0.5wt%
添加し(実施例2、比較例2)、炭化珪素を母材とする
場合にB4 CおよびCをそれぞれ1wt%、2wt%
添加した(実施例4、比較例4)。得られたスラリーを
熱風乾燥機により120℃で24時間乾燥後、乾燥物を
解砕し149μmの篩を通して成形用粉末を得た。粉末
をホットプレス用成形型に充填し、ホットプレスを行っ
た。ホットプレス圧力は300kg/cm2とし、温度
は窒化珪素、サイアロン、アルミナ、炭化珪素を母材と
する場合にそれぞれ1900℃、1800℃、1500
℃、2000℃とし、1時間保持した。雰囲気は窒化珪
素またはサイアロンを母材とする場合に窒素を使用し、
アルミナまたは炭化珪素を母材とする場合にアルゴンを
使用した。
【0011】焼結体から3×4×40mmの抗折棒を切
り出し、JIS−R1601に従い、4点曲げ強度試験
を実施した。このとき、曲げ強度試験治具にAEセンサ
を貼付し、曲げ強度試験時に前述した抗折棒に発生する
AE信号を検出した。AEセンサは周波数特性が140
kHzのものを用いた。表1に結果を示す。
り出し、JIS−R1601に従い、4点曲げ強度試験
を実施した。このとき、曲げ強度試験治具にAEセンサ
を貼付し、曲げ強度試験時に前述した抗折棒に発生する
AE信号を検出した。AEセンサは周波数特性が140
kHzのものを用いた。表1に結果を示す。
【表1】
実施例1〜実施例5は、すべて曲げ強度以下の負荷でA
E信号が発生し、試料の破壊前にその前兆を検知したの
に対し、比較例1〜4はAE信号を検知すると同時に急
激に破壊した。
E信号が発生し、試料の破壊前にその前兆を検知したの
に対し、比較例1〜4はAE信号を検知すると同時に急
激に破壊した。
【0012】実施例6〜実施例19
実施例6〜実施例19は、それぞれ窒化珪素を母材とし
、炭化珪素を分散粒子とした。この場合、分散粒子には
、直径が5μmもしくは10μmの粒子、または最大径
が15μm、厚みが3μmの板状粒子および最大径が3
5μm、厚みが5μmの板状粒子を使用した。比較例5
〜比較例8は、それぞれ窒化珪素を母材とし、比較例5
および比較例7については分散粒子に0.5μmの炭化
珪素粒子を使用し、比較例6および8については分散粒
子を分散させなかった。表2に使用した分散粒子および
その使用量を示す。
、炭化珪素を分散粒子とした。この場合、分散粒子には
、直径が5μmもしくは10μmの粒子、または最大径
が15μm、厚みが3μmの板状粒子および最大径が3
5μm、厚みが5μmの板状粒子を使用した。比較例5
〜比較例8は、それぞれ窒化珪素を母材とし、比較例5
および比較例7については分散粒子に0.5μmの炭化
珪素粒子を使用し、比較例6および8については分散粒
子を分散させなかった。表2に使用した分散粒子および
その使用量を示す。
【表2】
表2中、「板状(市販1)」は、最大径が15μm、厚
みが3μmの市販の炭化珪素の板状粒子をそのまま使用
した例を示し、「板状(市販2)」は、最大径が35μ
m、厚みが5μmの市販の炭化珪素の板状粒子をそのま
ま使用した例を示しす。また、「板状(処理1)」およ
び「板状(処理2)」は、「板状(市販1)」および「
板状(市販2)」に示す市販の炭化珪素の板状粒子の表
面を酸処理したものを使用した例を示す。
みが3μmの市販の炭化珪素の板状粒子をそのまま使用
した例を示し、「板状(市販2)」は、最大径が35μ
m、厚みが5μmの市販の炭化珪素の板状粒子をそのま
ま使用した例を示しす。また、「板状(処理1)」およ
び「板状(処理2)」は、「板状(市販1)」および「
板状(市販2)」に示す市販の炭化珪素の板状粒子の表
面を酸処理したものを使用した例を示す。
【0013】実施例6〜実施例19および比較例5〜比
較例8について実施例1〜実施例5と同様の条件により
焼結体を製造し4点曲げ強度試験を実施した。ただし、
実施例6〜実施例12ならびに比較例5および比較例6
については、焼結助剤としてY2 O3 およびYb2
O3 を母材に対してそれぞれ3.4wt%、13.
8wt%添加し、ホットプレス温度を1900℃とした
。また、実施例13〜実施例19ならびに比較例7およ
び比較例8については、焼結助剤としてY2 O3 、
MgOおよびZrO2 を母材に対してそれぞれ6wt
%、4wt%、0.3wt%添加し、ホットプレス温度
を1600℃とした。表2に結果を示すように、実施例
6〜実施例19は、破壊する前にすべてAE信号を検知
したのに対し、比較例5〜比較例8は、AE信号を検知
すると同時に破壊した。実施例8、9および実施例14
、16の比較からわかるように、分散粒子の表面を処理
することによってAE信号の発生を制御することができ
る。
較例8について実施例1〜実施例5と同様の条件により
焼結体を製造し4点曲げ強度試験を実施した。ただし、
実施例6〜実施例12ならびに比較例5および比較例6
については、焼結助剤としてY2 O3 およびYb2
O3 を母材に対してそれぞれ3.4wt%、13.
8wt%添加し、ホットプレス温度を1900℃とした
。また、実施例13〜実施例19ならびに比較例7およ
び比較例8については、焼結助剤としてY2 O3 、
MgOおよびZrO2 を母材に対してそれぞれ6wt
%、4wt%、0.3wt%添加し、ホットプレス温度
を1600℃とした。表2に結果を示すように、実施例
6〜実施例19は、破壊する前にすべてAE信号を検知
したのに対し、比較例5〜比較例8は、AE信号を検知
すると同時に破壊した。実施例8、9および実施例14
、16の比較からわかるように、分散粒子の表面を処理
することによってAE信号の発生を制御することができ
る。
【0014】実施例20〜実施例23
実施例20〜実施例23は、AE信号発生負荷を制御す
るために、予めAE信号が発生する荷重以上の荷重(予
備負荷)を加え、その後予備負荷を除去した後、再度荷
重を加え、AE信号の発生を検知した。実施例20およ
び実施例21は、実施例7に対しそれぞれ620、70
0MPa の予備負荷を与えたもので、実施例22およ
び実施例23は、実施例9に対しそれぞれ450、55
0MPa の予備負荷を作用させ前処理したものである
。実施例20〜実施例23について実施例1〜5と同様
な条件により4点曲げ強度試験を実施し、AE信号発生
負荷を測定した。
るために、予めAE信号が発生する荷重以上の荷重(予
備負荷)を加え、その後予備負荷を除去した後、再度荷
重を加え、AE信号の発生を検知した。実施例20およ
び実施例21は、実施例7に対しそれぞれ620、70
0MPa の予備負荷を与えたもので、実施例22およ
び実施例23は、実施例9に対しそれぞれ450、55
0MPa の予備負荷を作用させ前処理したものである
。実施例20〜実施例23について実施例1〜5と同様
な条件により4点曲げ強度試験を実施し、AE信号発生
負荷を測定した。
【0015】
【表3】
表3に示すように、セラミック材料に予備負荷を作用さ
せることにより、AE信号発生負荷を初期のAE信号発
生負荷値よりもあらかじめ高く設定することができた。 実施例20〜23の曲げ強度に対するAE信号発生負荷
は初期の応力値よりも実施例7および実施例9と対比し
て理解できるように、高めに設定することができた。こ
れにより、セラミック材料に予備負荷をあらかじめ作用
することによりAE信号発生応力値を適宜制御すること
ができる。
せることにより、AE信号発生負荷を初期のAE信号発
生負荷値よりもあらかじめ高く設定することができた。 実施例20〜23の曲げ強度に対するAE信号発生負荷
は初期の応力値よりも実施例7および実施例9と対比し
て理解できるように、高めに設定することができた。こ
れにより、セラミック材料に予備負荷をあらかじめ作用
することによりAE信号発生応力値を適宜制御すること
ができる。
【0016】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のセラミッ
ク材料によると、破断応力値より低い所定の応力値に到
達したとき、そのセラミック部材がAE信号を発生する
ため、それ以上に外部から作用する荷重が増大するとセ
ラミック部材が破損または破壊するおそれがあることを
警告するという効果がある。したがって、セラミック部
材が破壊する前に外部負荷を低減させたり部品を交換し
たりすることによってセラミック部材の破損または破壊
を未然に防止することが可能になるため、セラミック部
材の信頼性を高めることができるという効果がある。本
発明のセラミック材料によると、セラミック材料がAE
信号を発生することによって、強度が大幅に低下するも
のでもないため、構造用セラミック材料として再利用す
ることもできるという効果がある。
ク材料によると、破断応力値より低い所定の応力値に到
達したとき、そのセラミック部材がAE信号を発生する
ため、それ以上に外部から作用する荷重が増大するとセ
ラミック部材が破損または破壊するおそれがあることを
警告するという効果がある。したがって、セラミック部
材が破壊する前に外部負荷を低減させたり部品を交換し
たりすることによってセラミック部材の破損または破壊
を未然に防止することが可能になるため、セラミック部
材の信頼性を高めることができるという効果がある。本
発明のセラミック材料によると、セラミック材料がAE
信号を発生することによって、強度が大幅に低下するも
のでもないため、構造用セラミック材料として再利用す
ることもできるという効果がある。
Claims (1)
- 【請求項1】セラミック材料の母材に粒子を分散するこ
とで、破断応力の90%以下の応力が発生すると音信号
を発生することを特徴とする自己診断機能を有するセラ
ミック材料。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP07566191A JP3148267B2 (ja) | 1991-03-14 | 1991-03-14 | 自己診断機能を有するセラミック材料 |
DE1992611190 DE69211190T2 (de) | 1991-03-14 | 1992-03-11 | Keramische Werkstoffe mit einer Warnfunktion |
EP19920302049 EP0503905B1 (en) | 1991-03-14 | 1992-03-11 | Ceramic materials with a warning function |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP07566191A JP3148267B2 (ja) | 1991-03-14 | 1991-03-14 | 自己診断機能を有するセラミック材料 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH04285054A true JPH04285054A (ja) | 1992-10-09 |
JP3148267B2 JP3148267B2 (ja) | 2001-03-19 |
Family
ID=13582632
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP07566191A Expired - Fee Related JP3148267B2 (ja) | 1991-03-14 | 1991-03-14 | 自己診断機能を有するセラミック材料 |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP0503905B1 (ja) |
JP (1) | JP3148267B2 (ja) |
DE (1) | DE69211190T2 (ja) |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE1072182B (de) * | 1959-12-24 | VEB Hartmetallwerk Im'meib'orn, Imirmel'born (Thur.) | Verfahren zur Herstellung keramischer Verbundwerkstoffe | |
DE2036972A1 (en) * | 1970-07-25 | 1972-02-03 | Steinzeug Und Kunststoffwarenf | Deforming ceramic oxide materials - to increase hardness and creep resistance |
JPS649841A (en) * | 1987-07-01 | 1989-01-13 | Sumitomo Electric Industries | Ceramic composite |
JP2507479B2 (ja) * | 1987-09-30 | 1996-06-12 | 晧一 新原 | SiC−Al▲下2▼O▲下3▼複合焼結体及びその製造法 |
-
1991
- 1991-03-14 JP JP07566191A patent/JP3148267B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1992
- 1992-03-11 EP EP19920302049 patent/EP0503905B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1992-03-11 DE DE1992611190 patent/DE69211190T2/de not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP3148267B2 (ja) | 2001-03-19 |
EP0503905A3 (en) | 1993-04-14 |
EP0503905B1 (en) | 1996-06-05 |
EP0503905A2 (en) | 1992-09-16 |
DE69211190D1 (de) | 1996-07-11 |
DE69211190T2 (de) | 1996-10-31 |
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