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強くてタフな材料の作り方とその応用 -作製から応用・評価まで- B5版 約600頁 ￥23,000（税別）（1999.3.初版） ■刊行主旨■ 高温・高強度セラミックスの開発は1970年米国ガスタービン開発プロジェクトの発足が開発競争の引金であったと言われています。その開発・実用化への努力によって、酸化物から非酸化物セラミックスの特異性と特徴が次第に明らかになり、優れた特徴を活かすための使い方や克服すべき欠点がわかってきました。欠点を克服する方法の一つとして繊維による強化や複合化が試みられ、強化機構の解明・破壊機構の解明が進み、その結果をふまえた、組織構造の設計、ナノレベルでの複合化へと進歩してまいりました。また最近では新しい材料設計と考え方が提案され新しい展開が始まりつつあります。 本書では月刊「ニューセラミックス」誌で紹介された記事をこれまでの材料開発の経緯をふまえ今後強くてタフな材料設計の展開に向けた内容となるように再編集しました。 これらの材料は、自動車エンジン部品、ガスタービン部品、工具等をはじめ、各種産業機器への適用が始まっており、今後の市場として大きな期待をもって注目されていますので、広い方々に参考になるものと思います。 Contents ■第１章 セラミックウイスカ等の合成■ 第1節 SiC長繊維（ニカロンファイバー） 1 ニカロンの製法と特性 2 ナノコンポジット構造制御による高性能化の可能性 3 SiC系繊維の高温強度向上の可能性 第2節 SiC繊維の新しい製造プロセスと応用 1 製造方法 1.1 SiC化反応 1.2 熱処理 2 繊維の性質 2.1 IR・酸素／窒素分解（LECO分解） 2.2 XRD 2.3 強度 2.4 電気抵抗 3 応用 第3節セラミックウイスカ合成とそれを用いた複合素材 1 ウイスカの製造法 1.1 炭化ケイ素ウイスカ製造法 1.2 窒化ケイ素ウイスカの製造法 1.3 チタン酸カリウムウイスカの製造法 2 ウイスカの特性 2.1 炭化ケイ素ウイスカ 2.2 窒化ケイ素ウイスカ 2.3 チタン酸カリウムウイスカ 3 ウイスカの応用 3.1 ウイスカ強化セラミックス（WRC） 3.2 ウイスカ強化金属（WRM） 3.3 ウイスカ強化樹脂（WRP） 第4節 もみ殻からS3N4ウイスカの合成 1 S3N4ウイスカの合成 1.1 合成原料としてのもみ殻 1.2 合成反応と機構 2 今後の課題 第5節 耐環境性複合材料の強化セラミック繊維の現状と今後の展開 1 複合材料の強化用セラミック繊維の現状 2 セラミック繊維の高温における化学的安定性 2.1 SiC系繊維の高温熱分解機構 2.2 SiC系繊維の酸化機構 3 今後の展望―高温熱分解の改善― 第6節 核融合炉材料への応用としての窒化ケイ素繊維の開発 1 窒化ケイ素繊維の合成方法 2 窒化ケイ素繊維の物理的特製 3 絶縁材料への応用 第7節 ポリシラザンの高機能複合材料への応用 1 プリセラミックポリマー 2 強化材 3 PCPI法 3.1 プリフォーム 3.2 繰り返し含浸焼成による稠密化 3.3 CMCの特性解析、試験法 4 結果と考察 4.1 PCPI法 4.2 PCPI法で製作されたCMCの特性 （1） 室温強度 （2） 高温強度と耐熱性 （3） 高温耐酸化性 （4） 形状賦与 7.5 結論 第8節 炭素繊維の賢材性 1 賢材としてのCF 2 補強賢材としてのCF 3 CFの機能特製 4 CFによる赤外線探知機能 5 CFGFRP賢材による破壊自己診断機能 5.1 赤外線センサ用CFとセンサ特性 5.2 CF使用赤外線センサ素子の商品化 5.3 改良型CF赤外線センサ 5.4 今後の展開 6 CFGFRP賢材による応用開発 6.1 CFGFRP賢材 6.2 致命的破壊防止機能 6.3 破壊損傷探知機能 6.4 コンクリートの破壊探知機能 7 最大歪センサーとしてのCF束賢材機能 7.1 建築構造材への応用例 7.2 セキュリティーへの応用例 7.3 漏水・破壊損傷の試み 8 最大歪センサーとしてのCF束賢材機能 第9節 セラミック長繊維の引張り破壊機構 1 引張り試験の注意 2 セラミック繊維 3 引張特性 4 破面観察 5 破面解析 5.1 ミラーゾーン深さと破壊応力との関係 5.2 ミラーゾーンの形状 5.3 ミラーゾーン寸法の応力拡大係数との関係 5.4 破面の検討 ■第2章 繊維強化セラミックスの作成と強化機構■ 第1節 先進複合構造材料の展望 1 複合による特性の向上 2 複合強化用繊維 2.1 炭化ケイ素繊維 2.2 アルミナ繊維、ジルコニア繊維 2.3 新しいセラミックス繊維 3 マトリックス物質 3.1 ガラスマトリックス 3.2 酸化物マトリックス 3.3 非酸化物マトリックス 4 複合体の製造プロセス 4.1 スラリー法 4.2 ゾル・ゲル法と高分子熱分解法 4.3 融液浸透法 4.3 化学反応法 5 複合セラミックスの応用 5.1 工具への応用 5.2 耐熱構造材料への応用 5.3 断熱材料への応用 6 将来の課題 第2節 繊維複合セラミックスの作成 1 作成上の留意点 1.1 力学的設計 1.2 化学的適合性 1.3 物理的適合性 2 作成法の現状 2.1 気相法 2.2 液相法 2.3 固相法 第3節 ウイスカ複合セラミックス高靱化へのプロセス 1 トーカウイスカの物性 2 ウイスカ強化セラミックスの高靱化機構 3 SiCウイスカ強化セラミックスの現状 3.1 S3N4-SiCウイスカ複合材 3.2 Al2O3-SiCウイスカ複合材 第4節 繊維強化セラミックスの強化機構 1 セラミックスにおける靱性向上 1.1 き裂進展開始（Klc） 1.2 き裂進展中（KR） 1.3 その他の靱性向上機構 2 高靫性セラミックス複合材料の開発状況 3 短繊維強化セラミックスの靱性に関する定量化 3.1 ブリッジングによるき裂進展抵抗の上昇 3.2 プルアウトによるき裂進展抵抗の上昇 3.3 マイクロクラックによる応力集中緩和 3.4 ディフレクション 3.5 相変態による応力集中緩和 4 問題点 4.1 K1CとKR 4.2 界面の力学的環境-1 4.3 界面の力学的環境-2 4.4 統計的取扱い 第5節 コストから見たセラミックス複合材の開発と設計 1 長繊維強化セラミック複合材の作製方法 1.1 気相法 1.2 液相法 1.3 固相法 2 セラミック複合材の製造、設計上の問題点 3 セラミック複合材の部品設計における提言 ■第3章 繊維強化セラミックスの実際■ 第1節. セラミックス複合体の工具への応用 1 Al2O3系セラミックス 2 Al2O3-TiC系セラミックス 3 Al2O3-ZrO2系セラミックス 4 Al2O3-SiCウイスカ系セラミックス 第2節 炭素繊維強化セラミック複合材の製造と製品特性 1 繊維強化セラミック複合材の製造方法 1.1 スラリー含浸法 1.2 CVI法 1.3 Lanxide法 2 繊維強化セラミック複合材の特性 2.1 繊維とマトリックス 2.2 複合材の破壊機構 3 繊維強化セラミック複合材の展望と展開 3.1 将来展望 3.2 応用展開への取り組み 第3節 炭化チタンウイスカ強化アルミナ 1 作製及び評価法 1.1 試料調合と焼結 1.2 機械的特性の評価 1.3 切削性能の評価 2 緻密化と曲げ強度 3 弾性率、硬度及び破壊靱性 4 切削性能 第4節 Si-Ti-C-O繊維結合型セラミックスの特性と応用 1 製造方法 2 特性 3 用途及び将来展望 第5節 SiC繊維強化セラミックス複合材の製法とその特性 1 強化繊維、SiC繊維「ニカロン」の特性 2 SiC繊維強化セラミックス複合材の製法と特性 2.1 ガラス・ガラスセラミックスマトリックス複合材 2.2 SiCマトリックス複合材 2.3 アルミナマトリックス複合材 3 SiC繊維強化セラミックス複合材の応用 第6節 工具用SiCウイスカ強化複合セラミックス 第7節 炭化ケイ素ウイスカとその応用 1 炭化ケイ素ウイスカの物性 2 FRP、FRMへの応用 3 FRCへの応用 4 FRCの最近の動向 ■第4章 セラミック繊維強化金属材料の動向■ 第1節 次世代繊維強化金属の研究開発 1 繊維強化チタンアルミナイド複合材料の研究動向と技術課題 2 次世代プロジェクトにおけるチタンアルミナイド複合材料の研究開発 第2節 金属系複合材料の研究開発と標準化動向 1 研究開発／実用化の現状と課題―新たな用途の探索／拡大を目指して― 1.1 実用化の現状 1.2 実用化因子の抽出／分析 （1） コストについて （2） 製造技術について （3） 設計技術について （4） 高温特性について （5） 環境特性について 1.3 研究開発の新展開 2. 試験評価技術の標準か動向 2.1 日本における標準化 2.2 世界における標準化動向 2.3 今後の課題 第3節 新局面を迎えたセラミックス繊維強化金属材料 1 金属基複合材の現状 2 チタン酸カリウムウイスカーによるFRM 2.1 今日までの複合化例 2.2 新局面を迎えたチタン酸カリウムウイスカー 2.3 チタン酸カリウムウイスカーによるFRMの課題 ■第5章 セラミック繊維強化金属材料の製法と応用■ 第1節 金属基複合材料の製造プロセス 1 複合材料の状態 2 複合化技術 2.1 複合化プロセスの種類 2.2 複合化現象 3 鋳製造法による複合化 3.1 溶湯鍛造法 3.2 その他の複合化法 4 粉末冶金法 4.1 粉末混合法 4.2 メカニカルアロイング法 4.3 オスプレイ法 第2節 コストパフォーマンスに優れた鋳造による金属セラミックスの複合材料 1 複合化に何が望まれるか 2 実用期を迎えたほう酸アルミニュウムウイスカ強化複合材 3 実用が始まったSiC粒子強化複合材 第3節 SiC（ニカロン）/AIプリフォームワイヤ 1 繊維強化金属（FRM） 2 ニカロン／AIプリフォームワイヤ 3 プリフォームワイヤの活用法 4 期待される用途 5 新しい繊維 第4節 長繊維強化アルミニュウム合金の技術の現状 1 鋳造法とホットプレス法 2 粒子か、ウイスカか、長繊維か 3 各種強化繊維 4 FRMの力学的性質 5 熱膨張 6 耐食性 ■第6章 複合材料の製法と応用 第1節 ジルコニア系複合材料の動向 1 複合材料の種類 2 複合化による物性向上 3 今後の動向 第2節 ジルコニア複合材料とその応用 1 製造方法 1.1 原料粉末 1.2 複合体の作製と評価 2 ZrO2―Al2O3複合体の特徴 2.1 予備焼結特性 2.2 HIPによる高密度化 2.3 曲げ強度 2.4 複合体の微構造 3 ZrO2―Al2O3複合体の応用例 第3節 共沈超微粉によるアルミナ―ジルコニア系ナノ複合材料の作製 1 ジルコニア系超微粒子の作製 1.1 ジルコニア系超微粒子粉末の作製方法と性状 1.2 ジルコニア系超微粒子焼結体の作製と微構造 1.3 粒成長制御機構についての考察 2 ジルコニア系超微粒子とアルミナとの複合 2.1 ジルコニアの分散によるアルミナの強化 2.2 ジルコニア系超微粒子アルミナへの複合化方法および実験方法 2.3 焼結体の3点曲げ強度 2.4 結晶粒界強化によるアルミナの高強度化 第4節 特許に見る高強度・高靱性アルミナ 1 アルミナの制御による強度向上 1.1 形状制御 1.2 その他 2 粒子分散による強化 2.1 固溶体からの析出 2.2 その他 2.3 ナノ複合体 3 ジルコニア強化アルミナ 3.1 粒界正方晶分散型 3.2 粒界単斜晶分散型 3.3 粒界正方晶／単斜晶混合分散型 3.4 粒内正方晶粒界単斜晶分散型 4 ウイスカ強化アルミナ 第5節 セラミックガスエンジン用複合セラミックスの開発 1 セラミックガスエンジン用セラミックス 1.1 セラミックガスエンジン 1.2 セラミックガスエンジン用セラミックス 2 複合セラミックスの開発 2.1 低熱伝導セラミックスの開発 2.2 高靱性セラミックスの開発 第6節 複合化技術を適用した舶用大型エンジンの開発動向 1 新素材の複合化適用プロセス 2 大型舶用ディーゼルエンジン部材の現状と問題点 2.1 ディーゼルエンジン性能の動向と複合化 2.2 各部品別材料の現状と問題点 3 舶用ディーゼルへの新素材の複合化適用例 3.1 シリンダライナー、ピストンリングについて 3.2 排気弁について 3.3 ピストンクラウンについて 4 今後の新素材の複合化による大型エンジンの開発について 第7節 方向配列炭化ケイ素ウィスカー砥石の研磨特性 1 ウィスカーの配列方法 2 砥石の製作 3 研磨特性 4 目づまり防止法 5 仕上げ面粗さ ■第7章 自己複合化材料の製法と特性■ 第1節 自己複合化材料創製のための科学 1 自己複合化の定義 2 自己複合化の例 .2.1 化学反応を利用する方法 2.2 相平衡を利用する方法 2.3 組織制御する方法 3 今後の動向 第2節 セラミックス自己複合材料の製法と特性 1 自己複合材料の定義と本稿の範囲 2 反応合成 2.1 気相―固相 2.2 気相―液相 2.3 液相―固相 2.4 固相―固相反応 2.5 ポリマー分解反応 3 自己変換反応 3.1 粒界結晶化 3.2 選択的粒成長 3.3 多形制御 3.4 相分離 3.5 粒内構造制御 4 その他 5 まとめ 第3節 複合析出反応法による複合セラミックスの作製 1 In-situ TiN粒分散S3N4複合セラミックス 2 S3N4粉末中へのSiCウイスカのIn-situ合成 3 板状SiC粒子のIn-situ 生成 第4節 金属酸化法による耐摩耗セラミック基複合材（CMC） 1 金属酸化法 2 SiC／Al2O3／金属複合材 3 SiC／Al2O3／金属複合材の摩耗 4 SiC／Al2O3／金属複合材の摩擦および摩耗 第5節 炭化ケイ素―炭素系複合材料 1 調整法と一般的特性 2 摺動特性 3 応用例 ■第8章 新しい材料設計の展開■ 第1節 21世紀を目指したセラミックスの新しい材料設計 1 ナノ複合化コンセプト 2 高次機能調和材料の創成 3 ナノから分子レベルの材料設計へ 3.1 界面の傾斜機能化 3.2 クラスター複合材料／分子複合材料 第2節 高次に機能が調和したマシナブルな窒化ケイ素系セラミックスの 設計・開発 1 基本的な考え方 2 新しいナノコンポジットの製造プロセス 3 ナノ複合化による機械的、熱・機械的特性の改善 3.1 破壊強度 3.2 熱衝撃破壊抵抗の改善 4 ナノ複合化による機械加工性の改善 4.1 金属のような快削性の付与 4.2 快削性試験 4.3 快削性発現機構 第3節 損傷許容性に優れた窒化ケイ素積層セラミックス 1 積層構造用セラミックスの特徴 2 優れた機械的特性を発揮する積層構造 3 緻密質／多孔質窒化ケイ素積層材料 3.1 作製プロセスと微構造 3.2 機械的特性 4 重要な積層体のパラメータ 第4節 新しい無機・有機系融合材料 1 ゾル・ゲル法を応用した無機・有機ハイブリッドの合成 2 無機・有機ハイブリッドの特性 2.1 力学的特性 2.2 光学的特性 第5節 超低熱膨張性セラミックス-NaZr2(PO4)3［NZP］系セラミックスの熱膨張- 1 NZP結晶の熱膨張 2 NZP系結晶の焼結 3 KZPセラミックスの耐熱衝撃性 第6節 超塑性窒化ケイ素の研究動向と将来展望 1 超塑性セラミックスのプロセス設計 2 安定組織超塑性 3 不安定組織超塑性 4 超塑性変形と微構造変化 5 最近の研究プロジェクトと将来展望 第7節 一方向く凝固酸化物複合材への新しい製造法と高温環境特性 1 酸化物セラミック複合材料の一方向凝固 2 組織 3 高温強度 4 耐酸化性及び組織安定性 ■第9章 複合材料の疲労と評価■ 第1節 分散粒子強化MMCの変形、破壊、疲労挙動 1 MMCにおける変形モデルと強化機構 1.1 マトリックスが硬化しない場合 1.2 マトリックスが硬化する場合 1.3 MMC変形モデルの意味 2 分散粒子強化MMCの破壊挙動 2.1 破壊過程 2.2 ボイドの生成 2.3 ボイドの成長／合体、および変形モデルとの比較 3 分散粒子強化MMCの疲労挙動 3.1 疲労による亀裂の進展 3.2 亀裂先端におけるクロージャーフォースと亀裂進展 3.3 疲労特性 3.4 MMCの疲労研究の今後 第2節 先端材料の開発と材料保証学 1 先端材料開発の現状と脆性の克服 1.1 シリカ充填エポキシ樹脂 1.2 セラミックスおよびその複合材料 1.3 金属基複合材料 1.4 金属間化合物 2 これからの材料開発 3 材料保証学の提案 第3節 横波超音波利用による材料評価 1 測定原理 1.1 SV波利用内耗法 1.2 SV波利用音診法 2 実験方法 3 測定実例 3.1 内耗測定 3.2 SV波音診 第4節 白色X線を利用した残留応力の三次元分布評価 1 白色X線を利用した残留応力測定法 1.1. 白色X線の特徴 1.2. 白色X線による残留応力測定理論 1.3. 白色X線測定システム 2 セラミックスの残留応力測定例 2.1 研削加工されたアルミナセラミックスの残留応力 2.2 TiNコーティングSUS316材の残留応力 第5節 セラミック複合材料の粒子衝突損傷とその試験方法 1 セラミック複合材料の粒子衝突損傷とその試験方法 1.1 飛来粒子の衝突によるセラミックスの損傷に関する研究 1.2 損傷の形態と反発応答および残留強度の関係 2 粒子衝撃損傷実験 2.1 試料と試験の準備 2.2 衝撃損傷実験と損傷の評価 3 実験結果と考察 3.1 表面に発生した損傷形態 3.2 残留強度の測定と内部クラックの観測 3.3 長繊維複合材料における裏面損傷の把握 ■ 第10章 日本の特許に見るセラミック複合材料■ |