h 五 丑 11 13 13 15 16 16 18 21 23 25 27 28 29 29 "

平 成28年 度(2016年 度)修 士 論 文

ポ ー ラ ス チ タ ン の圧 縮 変 形 挙 動 に お よ ぼ す 作 製 プ ロセ ス ・セ ル 形 態 の影 響

平 成29年(2017年)1月30日 首都 大 学 東 京

シ ス テ ム デ ザ イ ン研 究 科 博 士 前 期 課 程 航 空宇 宙 シス テ ム 工 学 域

15891530深 沢 寛 指 導教 員 北薗』 幸 一

目次

第1章

1.2チ タ ン

序論

1.1ポ ー ラ ス 金 属

1.3ポ ー ラ ス 金 属 の 作 製 方 法 1.3.1粉 末 冶 金 法

1.3.2SLM(SelectiveLaserMelting)

1.4CAE

1.5ポ ー ラ ス 金 属 の 機 械 的 特 性 第2章 三 菱 マ テ リ ア ル 株 式 会 社 2.1緒 言

2.2実 験 方 法

1 2 4 5 5 5 6 9

2.2.1試 験 片 形 状 2.2.2試 験 片 作 製 2.2.3試 験 装 置 2.2.4圧 縮 特 性 の 評 価 2.3結 果 と 考 察

2.3.1異 方 性 調 査

2.3.2ひ ず み 速 度 感 受 性 調 査

2.3.3試 験 片 寸 法 に よ る圧 縮 特 性 へ の 影 蟹

2.3.4座 屈 防 止 2.3.5温 度 特 性 調 査 2.4

2.5結 言 第3章

エ ネ ル ギ ー 吸 収 材 料 と し て の 適 用

3.1緒 言

大阪冶金興行株式会社

3.2圧 縮 試 験 方 法 3.3FEM解 析 方 法

h 五 丑 11 13 13 15 16 16 18 21 23 25 27 28 29 29 "

3.3.1モ デ ル 作 成 3.3.2圧 縮 解 析 条 件

0 0 2 3 3 3

第4章 株 式 会 社 コイ ワイ 製 ポ ー ラ ス チ タ ン 4.1緒 言

4.2実 験 方 法

4.2.1供 試 材 作 成 4.2.2熱 処 理 4.2.3圧 縮 試 験 条 件 4.2.4硬 さ試 験 条 件 4.3結 果 と 考 察

4.3.1圧 縮 試 験 結 果 4.3.2硬 さ 試 験 結 果 4.3.3組 織 観 察 結 果 4.4結 言

8 8 8 8 1 1 1 3 3 7 8 9 3 3 3 3 4 4 4 4 4 4 4 4

第5章

第6章 結論

参考文献 謝辞

衝撃吸収材 としての適用可能性

対外発表

0 2 3 5 6 5 5 5 5 5

第1章 序 論 1.1背 景

工 業 的 に 製 造 す る部 材 の ほ とん どは 融 解 して 鋳 込 む 鋳 造 法,ま た は,金 属 粉 末 に圧 力 を加 え て 焼 結 す る粉 末 冶 金 焼 結 法 を 用 い て 製 造 され て い る.こ の 際 に 発 生 す る ガ ス な ど に よ る 気 泡 な ど の 鋳 造 欠 陥 や 焼 結 欠 陥 は,機 械 的 特 性 を 著 し く劣 化 させ る と し て 望 ま し く な く,一 般 的 に で き る だ け緻 密 に し な け れ ば な らな い と考 え られ て き た.し か し,自 然 界 に は 樹 木 や 蜂 の 巣,珊 瑚,生 体 骨 の よ うに 内 部 に 気 孔 を有 す る セ ル 構 造 体(多 孔 質 体)が 非 常 に 多 く存 在 す る こ とが 知 られ て い る。 多 孔 質 体 は,軽 量,通 気 性,断 熱 と い っ た 特 性 が あ り,多 孔 質 材 料 は数10pmの 微 細 空 孔 か らか ら数 ミ リの 空 孔 を有 す る も の ま で 様 々 で あ る.人 類 は これ

ら を は る か 昔 か ら,何 世 紀 に も 渡 っ て 利 用 して き た.

そ して 近 年 で は,発 泡 ポ リマ ー な どの 多 孔 質 体 を 作 り出 す よ うに な っ た.多 孔 質 体 の 特 性 を 活 か して,ク ッシ ョン の よ うな 防 振 用 や,衝 撃 体 か らの 運 動 エ ネ ル ギ ー を 吸 収 す るエ ネ ル ギ ー 吸 収 材 な ど,さ ま ざ ま な 用 途 に 利 用 され て い る.ポ リマ ー だ け に と ど ま らず,金 属,プ ラ ス チ ッ ク,セ ラ ミ ッ ク,ガ ラ ス な ど あ ら ゆ る も の を発 泡 させ る 技 術 が 確 立 され つ つ あ る [1】.

最 近,国 内外 で製 造 技 術 の研 究 開 発 が 盛 ん に お こ な わ れ て い る ポ ー ラ ス金 属 は,実 用 金 属 の 中 で 最 も軽 い と い わ れ て い る マ グ ネ シ ウ ム よ りも は る か に軽 量 で,緻 密 金 属 で は 実 現 で き な い 超 軽 量 化 が 可 能 で あ る.ま た,ポ ー ラ ス金 属 は,緻 密 金 属 に 比 べ て,軽 量 で あ る だ け で な く,断 熱,吸 音,衝 撃 吸 収 特 性 も 高 い の で,航 空 宇 宙,自 動 車,鉄 道 業 界 な どか ら注 目

され て い る.そ して,今 後 様 々 な 分 野 へ の 発 展 可 能 性 を秘 め て い る と考 え られ て い る.

自動 車 業 界 や 航 空 業 界 で は 近 年,CO2の 排 出 に よ る 地 球 温 暖 化 や 化 石 燃 料 の 枯 渇 な ど と い っ た 地 球 環 境 問 題 の ほ か,燃 料 の 高 騰 な ど に よ り,燃 費 の 向 上 やCO2の 削 減 が 急 務 と さ れ て い る.航 空 業 界 な どで は,軽 く て 強 い 複 合 材 料(CFRP)を 用 い る こ と に よ る軽 量 化 で, 燃 費 の 向 上 化 を 図 っ て い る.自 動 車 業 界 で も,ハ イ ブ リ ッ ト自動 車 や 電 気 自動 車 な どの エ コ

カ ー の 開 発,販 売 競 争 が 激 化 して い る.そ して,近 年 自動 車 に お け る軽 量 化 と して 注 目 され て い る の が ポ ー ラ ス 金 属 で あ る.自 動 車 の構 造 部 品 の 約20%を ポ ー ラ ス 金 属 で 代 替 で き る と考 え られ て お り,こ れ は 自動 車1台 あ た り約60kgの 軽 量 化 を も た らす こ と が で き,燃 費 の 向 上 に っ な が る[2].ま た,軽 量 化 だ け で な く ポ ー ラ ス 金 属 の 有 す る 吸 音,断 熱,制 振,衝 撃 吸 収 とい っ た 特 性 に よ る相 乗 効 果 も期 待 され て い る.

さ らに,航 空 宇 宙 分 野 に お い て も,ア リア ン5の ノ ー ズ コー ン に ポ ー ラ ス ア ル ミニ ウ ム の サ ン ドウ ィ ッチ 構 造(AluminumFoamSandwiches:AFS)が 採 用 され て い る[3].他 に も,

こ こで,衝 撃 吸 収 材 と して の ポ ー ラ ス 金 属 の 特 性 を考 え た 場 合,自 動 車 な どで 使 用 され る こ と を加 味 す る と,静 的 な 変 形 よ り も動 的 な 高 速 変 形 に 対 して 優 れ た衝 撃 吸 収 能 を 有 す る こ とが 重 要 で あ る.こ れ は,同 じ質 量 の 物 体 が 衝 突 す る 場 合,高 速 で 衝 突 す る ほ ど衝 突 エ ネ ル ギ ー(運 動 エ ネ ル ギ ー)が 大 き くな る た め で あ る.緻 密 な金 属 材 料 よ りも格 段 に 大 き な エ ネ ル ギ ー 吸 収 能 を 示 す ポ ー ラ ス 金 属 で あ る が,従 来 の ア ル ミ ニ ウム や マ グ ネ シ ウ ム とい っ た 材 料 で は 変 形 応 力 が 低 く,大 き な エ ネ ル ギ ー を 吸 収 す る 近 年 の航 空 機 や 宇 宙 機 の 需 要 に 対 応 す る こ とが 困 難 で あ る.そ こで,医 療 用 と して 用 い られ るチ タ ン の ポ ー ラ ス 金 属 に 注 目 し

た.構 造 用 部 材 と して の 用 途 は 報 告 され て い な い が,そ の 高 い 比 強 度 よ り大 容 量 の エ ネ ル ギ ー を 吸 収 す る こ とが 可 能 で あ る .

1.1ポ ー ラ ス 金 属

ポ ー ラ ス 金 属 とは,1.1節 で 簡 単 に 述 べ た よ うに セ ル 構 造 体 の 一 種 で あ り,金 属 内 部 に 多 数 の 気 孔,空 孔 を 有 す る金 属 の こ と を指 す.ポ ー ラ ス 金 属 は,広 義 の 意 味 で は 鋳 造 欠 陥 等 の 欠 陥 も含 まれ る が,そ の よ うな ネ ガ テ ィ ブ な 因 子 と して で は な く,積 極 的 に 空 孔 を 取 り入 れ ポ ジ テ ィ ブ な 因 子 と して い る 金 属 材 料 で あ る.金 属 内 部 に 数 多 く の 気 孔 が 存 在 す る こ と に よ っ て,緻 密 体 に は 見 られ な い 衝 撃 エ ネ ル ギー 吸 収 特 性,断 熱 特 性,吸 音 特 性,制 振 特 性 な ど様 々 な 優 れ た 特 性 を示 し,更 に は 製 法 に よ っ て は,超 軽 量 な ポ ー ラ ス金 属 を 作 製 す る こ と が で き る た め,軽 量 化 の観 点 で も優 れ た特 性 を 有 して い る[5,6].

ポ ー ラ ス 金 属 と一 言 で言 っ て もセ ル の 形 状 も多 種 多 様 で あ り,数mm〜cmの オ ー ダ ー の 気 孔 を 有 す る 一 般 的 な発 泡 金 属 を始 め,数nm〜 数 μmの 微 細 空 孔 を 有 す る ナ ノ ポ ・・一一・ラ ス や,気 孔 の 形 状 が長 手 方 向 の 異 方 性 を有 す る ロ ー タ ス 型 ポ ー ラ ス 金 属 オ ー プ ン セ ル 型,ク ロー ズ

ドセ ル 型 な ど と様 々 で あ る.Fig.1‑1に 代 表 的 な ポ ー ラ ス 金 属 で あ る オ ー プ ンセ ル 型 ポ ー ラ ス 金 属,ク ロ・・一・一・ズ ドセ ル 型 ポ ー ラ ス金 属(ALPORAS)の 断 面 写 真 を そ れ ぞ れ 示 す.

オ ー プ ンセ ル 型 ポ ー ラ ス 金 属 は,Fig.1‑1(a)に しめ され て い る よ うに,1つ1つ の セ ル が 連 続 的 に つ な が っ て お り,流 体 透 過 性 を持 っ て い る.こ の よ うな 特 徴 を利 用 して,熱 交 換 器,

ヒv・・一・トシ ン クや フ ィル タ ー な どへ の 応 用 が 考 え られ て い る[4].一 方,Fig.1‑1(b)に 示 され て い る よ うな ク ロ ー ズ ドセ ル 型 ポ ー ラ ス 金 属 は,1つ1つ の セ ル が 独 立 に 存 在 して お り,オ ー プ ン セ ル 型 ポ ー ラ ス金 属 と比 較 して 強 度 も あ る た め に,衝 撃 吸 収 材 料 と して や,断 熱 材 料, 加 工 法 に よ っ て は 吸 音 材 料 と して の応 用 が 考 え られ て い る[4].し か しな が ら,強 度 が あ る

とは い え,緻 密 材 と比 較 す る とそ の 強 度 は 著 し く低 くな っ て しま う.こ の 欠 点 を克 服 す る た め に,合 金 化 に よ る 強 度 の 向 上 や,樹 脂 を用 い る こ とで 強 度 を 向 上 させ る よ うな研 究 も進 め

られ て い る.

ポ ー ラ ス 金 属 は,ク ロー ズ ドセ ル 型 か オ ー プ ン セ ル 型 か,セ ル の サ イ ズ や 気 孔 率,母 材 の 特 性 な ど に よ っ て ポ ー ラ ス 金 属 の 特 性 が 大 き く異 な る.し た が っ て,要 求 され る 条 件 に応 じ て,ポ ー ラ ス 金 属 を作 り分 け る必 要 が あ る.

繋

Fig.1‑lPhotographofcrosssectionof(a)opencellfbamand(b)closedcellfbam.

1.2.チ タ ン

元 素 の 地 殻 存 在 度 を 示 す 指 標 の 一 つ で あ る ク ラ ー ク数 に基 づ け ば 、チ タ ン は 地 殻 中 に10番 目に 多 く存 在 す る 元 素 で あ る。 実 用 金 属 に 限 れ ば 、 ア ル ミニ ウ ム 、鉄 、マ グ ネ シ ウム 、 に次 い で4番 目 とな り、 銅 や ニ ッケ ル とい っ た チ タ ン よ り身 近 に存 在 す る と考 え られ て い る元 素 と比 較 して も桁 違 い に 多 く存 在 す る 元 素 で あ る[7】。 チ タ ン の 特 徴 と して 高 比 強 度 、 高 耐 食 性 、生 体 適 合 性 な どの 優 れ た 特 性 を有 して お り、様 々 な 分 野 に お い て 使 用 され て い る。特 に航 空 分 野 に つ い て は 、 耐 食 性 や 熱 膨 張 率 に お い てCFRPと の 適 合 性 に優 れ て い る こ と か ら、ます ま す 需 要 が 増 大 して い る(Fig.1・2)[8]。最 近 で は 、チ タ ン の 陽 極 酸 化 発 色 に よ る 美 し さ、色 の と再 現 性 を利 用 した デ ザ イ ン性 、低 ヤ ン グ 率 に よ る 反 発 力 や しな や か さ、ア レル ギ ー の 無 さ、人 体 へ の 調 和 が 良 い こ と、真 空 作 業 時 の ガ ス 放 出 の 少 な さ、な どの 特 徴 を利 用 し て 、建 築 用 、 ス ポ ー ツ 用 、 ア クセ サ リー 用 、真 空 装 置 、 医療 用 な どに 広 が りつ つ あ る。 しか し精 錬 コ ス トの 高 さ か らそ の 生 産 量 は鉄 鋼 や ア ル ミニ ウム と比 較 し極 め て 少 な く 、加 え て チ タ ン 合 金 に 主 に使 用 され るバ ナ ジ ウ ム 、モ リブ デ ン、ジル コ ニ ウム とい っ た 高 価 か つ 希 少 な 元 素 が 合 金 添 加 元 素 と し て 使 用 され て い る こ と も起 因 して 、 素 材 コ ス トを 引 き 上 げ て い る 。

構威比霊璽鴨

100X 90備 80覧 70髄

◎o覧 50覧

鞘 蹴

20弘

儲 , ㎝ 1

1●●or747, lt7Ct7"⊃ ●97●OGη _{S●●0(777⊃} 200e(nn

Fig.1‑2Changeofmaterialsoftheaircraft[2].

1.3.ポ ー ラ ス 金 属 の 作 成 方 法 1.3.1粉 末 冶 金 法

粉 末 法 とは,金 属 粉 末 を原 料 と して 作 製 す る プ ロ セ ス で あ り,粉 末 冶 金 法(PM法)と も 呼 ば れ る.基 本 的 な 作 製 プ ロセ ス は,金 属 粉 末 や 合 金 粉 末 と,粉 末 状 の発 泡 剤 と を 混 合 し,ホ

ッ トプ レス や 押 し出 しに よ っ て 緻 密 な 半仕 上 げ 状 態 に 混 合 物 を作 製 し,プ リカ ー サ(前 駆 体) を 作 製 す る.さ ら に,そ の プ リカ ー サ を 融 点 域 に ま で 加 熱 させ 発 泡 させ る手 法 で あ る.十 二 分 に金 属 粉 末 と発 泡 剤 とが 均 一 に 混 合 され る こ と,及 び プ リカ ー サ を 作 製 す る と き の 充 填 率 は ほ ぼ100%の 緻 密 な プ リカ ー サ を作 製 す る こ とが 重 要 で あ る.こ の よ うな 要 求 事 項 か ら よ く用 い られ る作 製 プ ロセ ス と して,冷 間 等 方 加 圧 成 形(CIP)と 押 し出 し加 工 の組 み 合 わ せ プ ロ セ ス が あ る[4].粉 末 法 の 大 き な 特 徴 と して は,作 製 され た プ リカ ー サ を そ の ま ま 加 熱 し発 泡 させ る こ とだ け で な く,プ リカ ー サ を任 意 形 状 に機 械 加 工 して か ら発 泡 させ る こ と が 可 能 で あ る と い う特 徴 を 有 す る.こ の よ うに 機 械 加 工 した プ リカ ー サ を金 型 内 で 発 泡 させ る こ とで,複 雑 な形 状 の ポ ー ラス 金 属 を比 較 的 簡 単 に製 造 す る こ とや,容 器 内 な ど に ポ ー ラ ス 金 属 を 充 填 す る こ とが 可 能 で あ る .し か しなが ら,金 属 粉末 はバ ル ク体 と比 較 して非 常 に 高 価 で あ る た め,工 業 的 に 粉 末 法 を 用 い る場 合 は 粉 末 コ ス トを 下 げ る こ と は必 須 で あ る.ま た,一 般 的 に 粉 末 法 で は 小 さ な 部 材 な ど に しか 適 用 が で き な い とい う課 題 も存 在 す る.

1.3.2SLM(selectivelasermelting)法

SLM法 と は,製 品 を 造 形 す る コ ン テ ナ の 上 に 均 等 に敷 か れ た 粉 末 をCADデ ー タ に基 づ き レー ザ を 照 射 し,照 射 部 分 に の み を 固 化 し,こ の 操 作 を繰 り返 して積 層 す る こ と に よ り, 3次 元 複 雑 形 状 品 を作 製 す る 方 法 で あ る.こ の 製 法 に よ り作 製 した オv‑一一プ ン セ ル 型 ポ ー ラ ス ア ル ミニ ウ ム をFig.1‑3に 示 す[9].こ の 作 製 方 法 は,多 品種 少 量 生 産 に お い て 迅 速 か つ 低 コ ス トで 作 製 で き る 特 徴 を持 っ.し か し,レ ー ザ 積 層 造 形 法 は,造 形 の 形 状 自 由 度 が 極 め て 高 い が,装 置 や 材 料 に も よ る が,造 形 物 の 最 小 厚 さや 許 容 角 度 等 に 制 約 が あ り,そ の 制 約 内 で しか モ デ ル を 造 形 で き な い.ま た,内 部 の粉 末 を 造 形 後 に 除 去 す る た め,ポ ー ラ ス材 料 は空 孔 が 互 い に 接 続 した オ ー プ ン セ ル 構 造 で あ る必 要 が あ る[10】.

近 年,高 性 能 な フ ァイ バ ー レー ザ の 開 発 や 粉 末 材 料 の 開 発 に よ り,ア ル ミニ ウム や チ タ ン 合 金 の 焼 結 が 可 能 と な っ た だ け で な く,金 型 用 の マ ル エ ー ジ ン グ 鋼 や 生 体 材 料 用 バ ル トク ロ ム 合 金 な どの 材 質 も 可 能 と な っ た た め,様 々 な 分 野 へ の 適 用 も 増 加 す る と考 え られ て い る.

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Fig.1・30pencellAluminumf()ammanufacturedbySelectiveLaserMelting.

1.4.CAE

CAE(ComputerAidedEngineering)と は,工 業 製 品 の 設 計 ・開 発 工 程 を 支 援 す る コ ン ピ ュ ー タ シ ス テ ム の こ と で あ る,従 来 の 開発 工 程 で は,製 品 の機 能 や 性 能,動 作 な ど が様 々 な 状 況 で ど う変 化 す る か を確 認 し,不 具 合 を 発 見 して 修 正 す る た め,試 作 と実 験 が 繰 り返 され て き た.し か し状 況 に よ っ て そ れ は 困 難 で あ り,実 験 に は 時 間 と コ ス トが か か る.CAEシ ス テ ム に よ っ て そ の 一 部(先 進 的 な 事 例 で は 大 部 分)を コ ン ピ ュ ー タ シ ミ ュ レー シ ョ ン に 置 き 換 え る こ と に よ り,開 発 ス ピー ドの 向 上 や コ ス トの 低 減 が 望 め る.さ ら に,従 来,試 作 ・実 験 の た め に 使 っ て い た 資 源 を 他 の 部 分 に 配 分 で き る よ うに な る こ とで,最 終 的 な 品 質 の 向 上 を 図 れ る場 合 も あ る.近 年 で は ボ ー イ ン グ777を は じめ,航 空 宇 宙 機 の 開 発 に お い て も, CAE技 術 が 用 い られ て い る.

CAEに は 主 に3つ の 手 法 が 存 在 す る.

・有 限 要 素 法

・有 限 差 分 法

・境 界 要 素 法

有 限 要 素 法 と は1950年 代 に構…造 解 析 の た め の 工 学 的 近 似 解 法 と して 開 発 され た 手 法 で あ り,そ の 理 論 的 裏 付 け が 微 分 方 程 式 の 近 似 解 法 の1つ で あ る 古 典 的 な レー リー ・リ ッ ツ (Rayleigh‑Ritz)法 に あ る こ と が 示 され て い る.こ の 解 析 で は 対 象 領 域 を 有 限 要 素 と呼 ば れ る 小 さ な 領 域 に 分 割 して 要 素 毎 に そ の 特 性 を表 す 数 学 的 モ デ ル を作 成 し,そ れ を用 い て 対 象 領 域 全 体 を組 み 立 て る こ とで 全 体 の 特 性 を表 す モ デ ル を作 成 す る.得 られ る領 域 全 体 の 数 学 的 モ デ ル は 多 元 連 立 の 代 数 方 程 式 と な っ て い て コ ン ピ ュ ー タ に よ る マ ト リ ッ ク ス 演 算 で 効 率 的 に 計 算 で き る こ と か ら,コ ン ピ ュ ー タ の 進 歩 と と も に急 速 に 発 展 して き た.工 学 的 な 諸 分 野 に お け る 種 々 の 微 分 方 程 式 を 解 く一 般 的 な 近 似 解 法 と して 適 用 で き,熱 伝 導 や 拡 散 の解 析,流 体 の 流 れ の 解 析,電 磁 場 や 音 場 の解 析 等 広 く利 用 され て い る.複 雑 な 形 状 や 境 界 条 件 で あ っ て も容 易 に 取 り扱 え る こ と も あ っ て 汎 用 性 が 高 く,構 造 解 析 分 野 で のNASTRAN やMARC,ABAQusな ど の よ うな 各 種 の 市 販 プ ロ グ ラ ム も普 及 して い る ・

FEMは ポ ー ラ ス 材 料 の解 析 に も有 効 で あ る こ とが 知 られ て い る.D.ruanら はFEMを 用 い て,ハ ニ カ ム構 造 の 圧 縮 に お け る ひ ず み 速 度 依 存 性 に つ い て の 解 析 を行 っ た(図Fig.1‑4).ハ ニ カ ム構 造 とは 正6角 形 ま た は 正6角 柱 を 並 べ た 二 次 元 構 造 で あ り,空 気 の 層 を構 造 内 に 有 す る こ と か ら断 熱 材 と して も利 用 され て い る.ま た 金 属 を ハ ニ カ ム構 造 に適 用 す る こ と に よ り強 度 を あ る 程 度 保 ち っ っ 大 き な 軽 量 化 を 望 め る こ とか ら,航 空 機 の構 造 材 に も用 い

られ て い る[11].YanzeSongら は ボ ロ ノイ 図 を利 用 した3次 元 ク ロー ズ ドセ ル 構 造 の ポ ー ラ ス 金 属 に お け る 動 的 圧 縮 挙 動 に つ い て のFEM解 析 を行 っ た(Fig.1‑5).ボ ロ ノ イ 図 と は任 意 の 位 置 に 配 置 され た 複 数 個 の 点 に対 して,同 一 距 離 空 間 上 の 他 の 点 が ど の 母 点 に 近 い か に よ っ て 領 域 分 け され た 図 の こ とで,こ の領 域 を セ ル 壁 に置 き 換 え る こ と で ク ロー ズ ドセ ル 構 造 を モ デ ル 化 した5).JianhuiFanら は 中空 の 金 属 球 を 並 べ る こ とで ポ ー ラ ス 金 属 を モ デ ル

化 し,解 析 を行 っ た(Fig.1‑6)6)

綴燃

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Fig.1‑4FEManalysisofhoneycombsructUre

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Fig.1‑5FEManalysiswithVbronoidiagr㎜.

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Fig.1‑6FEManalysiswithMHSforrn.

1.5ポ ー ラ ス 金 属 の 機 械 的 特 性

Fig.1‑7に 一 般 的 な ポ ー ラ ス ア ル ミニ ウ ム にお け る圧 縮 時 の 応 カ ーひ ず み 曲線 を 示 す.ポ ー ラ ス ア ル ミニ ウム の 圧 縮 挙 動 は3つ の 領 域 に 分 け られ る.1は 弾 性 領 域 と呼 ば れ,構 造 が 崩 壊 す る ま で 弾 性 変 形 を 示 す.Hは プ ラ トー 領 域 と呼 ばれ,変 形 応 力 が ほ ぼ 一 定 の ま ま圧 縮 が 進 行 す る.圧 縮 応 力 が 上 昇 す る と次 第 にセ ル が 塑 性変 形 や 座 屈 に よ っ て 潰 れ て い く.セ ル が 座 屈 す る と,そ の 部 分 の 変 形 応 力 は 減 少 す る た め,変 形 が そ の セ ル を 含 む 断 面 に集 中す る.

これ を変 形 バ ン ドと呼 ぶ.や が て セ ル は 緻 密 化 し変 形 応 力 が 上 昇 す る と,変 形 バ ン ドは 別 の 断 面 へ と移 動 す る.こ の よ うに セ ル が順 番 に潰 れ て い く こ とで,変 形 応 力 は ほ ぼ 一 定 に 保 た れ る.こ の と き の 応 力 を プ ラ トー 応 力 と呼 び,以 下 よ うに 定 義 され る.

σpl=σ20〜300/o

皿 は 緻 密 化 領 域 と 呼 ば れ,セ ル が 潰 され る こ と に よ る か さ密 度 の 上 昇 が原 因 で 応 力 は 急 激 に 上 昇 す る.

ポ ー ラ ス ア ル ミニ ウ ム の 圧 縮 時 の エ ネ ル ギ ー 吸 収 量 躍 は 次 式 を用 い て 表 す こ とが で き る.

レγ=∫ σdε (1‑2)

こ こ で σは 圧 縮 応 力,ε は 圧 縮 ひ ず み で あ る.こ れ は 図1‑9に お い て 曲線 の 下 部 の 面 積 に あ た

oδ 住 Σ ︑ り ︒ ω ω 2 筋 0 ︾ 窃 ω ￠ ﹄ α ε ◎ Q

5

4

3

2

唾

◎ 0

ALPORAS

Sze:45×45×100mm3 Crossheadspeed100mm/min

皿 皿

1020304050607080

Co醗press館es霊 旧 垂n,ε(%》

Fig.1・7Stress・straincurveofRepresentativeporousaluminum"ALPORAS".

2.三 菱 マ テ リ ア ル 製 ポ ・一・一一ラ ス チ タ ン 2.1緒 言

本 供 試 材 は 工 業 用 純 チ タ ン を 材 料 に 粉 末 冶 金 法 に て 作 成 され た ポ ー ラ ス チ タ ン で あ り、

多 孔 質 層 の イ ン プ ラ ン ト表 面 へ の 適 用 を 想 定 し て 開 発 され た 。 室 温 及 び 高 温 に て 圧 縮 試 験 を 行 い,機 械 的 特 性 を 評 価 す る.

2.2実 験 方 法 2.2.1試 験 片 形 状

三 菱 マ テ リア ル 株 式 会 社 製 、 気 孔 率80%ポ ー ラ ス チ タ ン の 圧 縮 試 験 を 行 っ た.工 業 用 純 チ タ ン 粉 末 を 原 料 に,粉 末 法 の 一 種 で あ る ス ラ リ ー 発 泡 法 に て 作 成 さ れ た[14].本 ポ ー ラ ス チ タ ン は130×130×10mmの 薄 板 形 状 で あ る.供 試 材 模 式 図 及 び 外 形 をFig.2・1,2に,供 試 材 断 面 の 光 学 顕 微 鏡 写 真 をFig.2・3に 示 す.Fig.2・2に 示 さ れ る 通 り,断 面 観 察 結 果 よ り 本 供 試 材 は 方 向 に よ っ て 気 孔 形 状 が 異 な り,異 方 性 が 存 在 す る.こ れ はFig.2・3に 示 す よ う に,作 成 時 に ポ ー ラ ス チ タ ン の シ ー トを 重 ね る 作 成 方 法 に よ る も の で あ る.そ の た め,板 厚 方 向 を 面 外 方 向(outof‑plane),板 の 広 が る 方 向 を 面 内 方 向(in'plane)と し,常 に 区 別 す る.

紬 撒

Fig.2・1Patterndiagramofpuretitaniumplate

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Fig.2‑2Cross・sectionalshapewithopticalmicroscope(A)outof・plane(B)in‑plane.

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4灘 舞鞠一

ゐ;灘 麟.

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鶉蟹抽 蕪 騨 畷.蹴.鞭 識 繊議 マ説

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騨 肇艦

&

塘〜啄 舛撫 晦 雄琴ゲ;ア憐謎 膨 墜

繊

熱鵡戴総i麗姦鍵i嚢蕪 難i蘂雛 き喰露

Fig.2・3photographofpureporoustitanium(a)appearance(b)Cross‑sectional

direction.

2.2.2試 験 片 作 成

供 試 材 で あ る 板 状 の ポ ー ラ ス チ タ ン か ら フ ァイ ン カ ッ タ ー に て10×10×10mmの 立 方 体 形 状 で あ る試 験 片 を 作 成 し,そ の 後 染 み 込 ん だ 水 分 が 無 く な る ま で 乾 燥 機 に て 乾 燥 させ た.前 の 項 で 述 べ た よ うに,本 供 試 材 は 異 方 性 が 存 在 し,形 状 に よ り圧 縮 特 性 が 大 き く変 化 す る こ とが 予 想 され た.そ こで,10x10x10mmの 立 方 体 形 状 を 基 本 と しつ つ,形 状 を 変 化 させ て圧 縮 試 験 を行 っ た.

2.2.3試 験 装 置

準 静 的 圧 縮 試 験 を 万 能 試 験 機AUTOGRAPH(島 津 製 作 所AG・ISD最 大 荷 重50kN),お よ び コ ン ク リ ー ト全 自動 圧 縮 試 験 機(島 津 製 作 所 製CONCRETO200X)に て 行 っ た.

CONCRETO2000Xに っ い て は 試 験 片 設 置 部 の 上 下 に加 熱 装 置 及 び 冷 却 水 循 環 装 置 の つ い た 金 属 圧 板 を 設 置 して お り,高 温 環 境 下 で の圧 縮 試 験 が 可 能 で あ る.試 験 装 置 外 形 をFig.2・

4,5に 示 す.圧 縮 試 験 に お い て 測 定 され た 荷 重 お よび 変 異 は,静 的 材 料 試 験 機 用 デ ー タ処 理 ソ フ トTRAPEZIUMX(島 津 製 作 所)を 使 用 し取 得 した.試 験 は 常 温 ・大 気 雰 囲 気 下 に て 行 い,ひ ず み 速 度 依 存 性 の 調 査 の た め,ク ロ ス ヘ ッ ド速 度 は1,10,100mm/minと 変 化 させ た.

Fig.2・4Pho七 〇graphofAutograph

Fig.2‑5PhotographofCONCRETO2000X

2.2.4圧 縮 特 性 の 評 価

得 られ た 試 験 結 果 に つ い て,エ ネ ル ギー 吸 収 能 力 を評 価 した.圧 縮 応 力 σ,圧 縮 ひ ず み ε, は 次 式 で 求 め られ る.

F σ=一

ε=万1

Fは 荷 重,Aは 試 験 片 初 期 断 面 積,1は 試 験 片 の 変 位,hは 試 験 片 初 期 高 さ で あ る.

ま た,本 供 試 材 の 圧 縮 試 験 に お い て は,ひ ず み 速 度 依 存 性 を考 慮 す る.ポ ー ラ ス 金 属 の ひ ず み 速 度 感 受 性 の評 価 に一 般 的 に 用 い られ るひ ず み 速 度 感 受 性 指 数m値 を 次 式 に て 定 義 す る.

%=κ ε翫 m=‑l lnσρ

nε

σρは プ ラ トー 応 力,Kは 係 数 で あ り,ξ=1で の プ ラ トー 応 力 を示 す.m値 は0<m≦1で あ り、 一 般 的 に 応 力 が ひ ず み 速 度 の 影 響 を 受 け や す い 材 料 ほ どm値 は 大 き な 値 を示 す.

2.3結 果 と 考 察 2.3.1異 方 性 調 査

室 温,大 気 雰 囲 気 下 に て,in‑planeとoutof・planeの そ れ ぞ れ に つ い て 異 な る ク ロ ス ヘ ッ ド速 度 に て 圧 縮 試 験 を 行 い,得 ら れ た 応 カ ー ひ ず み 曲 線 をFig.2・6に 示 す.ク ロ ス ヘ ッ ド 速 度 は1mm/minと し た.in・planeで は 応 カ ー 定 の 領 域 で あ る プ ラ トー 領 域 を 示 し た が, outof'planeで は 降 伏 応 力 を 迎 え た 後 は 単 調 増 加 を 示 し て い る.こ れ は 試 験 片 の 気 孔 形 状 の 偏 り に よ る も の で,in・planeで は 圧 縮 方 向 に 延 伸 し た 気 孔 が 主 で あ る た め と 考 え ら れ る.気 孔 形 状 モ デ ル をFig.2‑7に 示 す,圧 縮 方 向 の セ ル 壁 が 座 屈 し 、 局 所 的 な 変 形 が 連 続 し て 生 じ る こ と で 応 力 の 上 昇 を 緩 和 し て い る と 考 え ら れ る.こ こ で エ ネ ル ギ ー 吸 収 特 性 に つ い て 考 え る.緒 言 で 述 べ た 通 り,応 カ ー 定 で あ る プ ラ トー 領 域 が 存 在 す る 場 合,優 れ た エ ネ ル ギ ー 吸 収 効 率 を 示 す.そ の た め,次 項 か ら は プ ラ トー 領 域 が 存 在 し,高 い エ ネ ル ギ ー 吸 収 効 率 を 示 すin・planeの み の 結 果 に つ い て 検 討 す る こ と とす る.

100

(U(U∩V(U8(◎4,ハ∠

色Σ＼の.のωo﹂拐o≧の8﹂αεoO

0

0 1020304050

Compressivestrain,ε(%)

60

Fig.2・6Stress‑straincurveofpureporoustitaniumineachdirection.

Compression direction

Fig.2・7Fracturemorphologymodelofpureporoustitaniumwithin・planecompression.

2.3.2ひ ず み 速 度 感 受 性 調 査

本 項 で は ひ ず み 速 度 感 受 性 の 調 査 を 目 的 と し,ク ロ ス ヘ ッ ド速 度 を 変 化 さ せ て 圧 縮 試 験 を 行 っ た.ク ロ ス ヘ ッ ド速 度 は1,10,100mm/minと し.試 験 片 寸 法 は10x10x10mmの

立 方 体 形 状 と し た.得 ら れ た 応 力 ・ひ ず み 線 図 をFig.2‑8に 示 す.in・plane,100mm/minに

お い て ひ ず み20%付 近 で 応 力 が 低 下 し て い る.本 供 試 材 は 面 内 方 向 に そ っ て 積 層 す る 構 造 で あ り,圧 縮 過 程 で 積 層 が 剥 離 し座 屈 す る 変 形 挙 動 を 示 す こ と が あ る.ひ ず み 速 度 が 速 く な る に つ れ,剥 離 を 伴 う変 形 挙 動 が 顕 著 に な り応 力 が 低 下 し て い る.

プ ラ トー 応 力 お よ び エ ネ ル ギ ー 吸 収 量 の 関 係 をFig.2・9,10に 示 す.ク ロ ス ヘ ッ ド速 度 の 変 化 に よ る プ ラ トー 応 力 へ の 影 響 は 少 な い こ と が わ か る.式Oに て ひ ず み 速 度 感 受 性 指 数m 値 を 算 出 す る.

Min‑Plαne=O・018,m.utof‑plαne=0・016

ど ち ら の 圧 縮 方 向 で も ひ ず み 速 度 感 受 性 は 小 さ く,ほ と ん ど考 慮 す る 必 要 が な い こ と が わ か る.ク ロ ス ヘ ッ ド速 度100mm/minに お け る,ひ ず み50%ま で の エ ネ ル ギ ー 吸 収 効 率

を 式Oに て 計 算 す る.

μin̲Plane=71.70/o,Ptoutof̲plαne=38.40/o

こ れ よ り,50%ま で の エ ネ ル ギ ー 吸 収 効 率 と し て はin・planeが 優 れ て お り,小 さ な 応 力 で 多 く の エ ネ ル ギ ー を 吸 収 で き る こ と が わ か る.次 項 よ り,エ ネ ル ギ ー 吸 収 特 性 に 優 れ て い るin・planeの み 圧 縮 特 性 を 評 価 す る.

60

50 40 30 20 10

住Σも.︒りの①とのΦ≧ののΦ﹂α∈OO 繭障一

一

Tempureture:RT lmm/mln lOmm/min lOOmrn/min

囲ザ 『

0

,Directionin‑plane

﹂⁝‑ー﹁﹂iー耳,﹂‑﹂蓬ゴー﹂ー﹂﹂,ー﹁﹁4ーづー↓⁝‑

住Σも,ののΦとのΦ﹀ ののΦ﹂α∈oO

60

5◎

40

30

20

10

0

0 1020304050

Compressivestrain,ε(%)

60

0

TempuretureRT

Direction:outof‑Plane lmm/min

10mm/mln 100mm/min

1020304050 ⁶⁰

100

10

∩ 轍 〜 酷 ︑ b 齢の の Φ ﹄ あ 5 ◎5 Φ 制 05 郎 ﹂

1

Tempureture:RT +outof‑plane

‑k‑in ‑plane 一

蓬

一

1x1σ31x1σ21xlO}11

1nitialStrainRate,ε/s軸1

Fig.2・9Plateaustressofpureporoustitaniumisplottedasafunctionofinitialstrain rate.

100

10

Tempureture:RT +outof‑plane

‑・ke‑‑ln儀plane

一 ■■■一 欄隣澗■■■幽暉■■■■■■■■ ■■

111﹂1‑iJ}ーーー

14

} i 1一

1x10‑31xlO"21x1σ11

1nitialStrainRate,ε/s

Fig.2・10Energyabsorptionofpureporoustitaniumisplottedasafunctionofinitial

strainrate.

2.3.3試 験 片 寸 法 に よ る圧 縮 特 性 へ の 影 響

試 験 片 寸 法 が 圧 縮 特 性 に お よ ぼ す 影 響 に っ い て 調 査 す る た め,試 験 片 寸 法 を変 化 させ て 圧 縮 試 験 を行 っ た.ひ ず み 速 度 は1.67xlO●is'1,圧 縮 方 向 はin・planeと した.作 成 した 試 験 片 寸 法 をTable2・1に,試 験 結 果 よ り得 られ た 応 力 ひ ず み 線 図 をFig.2・11に 示 す.試 験 片 高 さ が12.5mmま で は 立 方 体 形 状 と同 様 の 圧 縮 挙 動 を示 した が,14mm以 降 で は 降 伏 応 力 を迎 え た 後 に 応 力 の 急 激 な低 下 が 確 認 され た.10x10x20mm試 験 片 に お け る圧 縮 試 験 中 の 様 子 をFig.2・12に 示 す.試 験 片 積 層 部 に お い て 層 間 の 剥 離 の剥 離 が 生 じて お り,外 側 の板 か ら座 屈 し応 力 の 急 激 な低 下 を 引 き起 こ して い る.試 験 片 高 さ に比 例 し応 力 の 低 下 が 大 き くな る こ と か ら,こ の 圧 縮 挙 動 は試 験 片 の ア ス ペ ク ト比 が 大 き く な る ほ ど顕 著 に表 れ る こ とが わ か っ た.

Table2・1Listofspecimenssize

Depth,㎜width,mmHeight,㎜

10 10 10 10 10

10 10 10 10 10

lO 12.5

14 15 20

ユΣ︑O.︒︒ωΦ傷Φ≧ののΦ﹄α∈OO 60

50

40

30

20

GO

0

一v「 一■一一 圃一t‑「'u+T‑'"'一一"

Tempure‡ureRT Directionin‑plane

lnitlals重rainra重e1.67xlO"is‑1

響

0

lOxlOxlOmm 10xlOx12.5mm 壌Oxり ◎x14mm 劇一 一10x{Ox35mm

10 20 30 40 50 60

C◎mpressivestrain,ε(%)

Fig.2・11Compressivestress・straincurvesofpureporoustitaniumwithdifferent speclmensslze・

墾 塗

r」Nr‑..一,

:OO/roO

ε ・=0%

・・職 ・7‑一

  のゆ か ま  ら

,00講86

ε=:8%

璽

    ら

釜

『驚.、̲.

、01。i20

ε=10%

ヂユ ー τ「'"鳴 二へ,ρノ.

iO3護00

ε=25%

Fig2‑12Photographsofthe10x10x20mmspecimeneachcompressivestrain.

2.3.4.座 屈 防 止

層 間 剥 離 に よ る応 力 の 低 下 を 防 止 す る た め,2つ の ポ ー ラ ス チ タ ン を組 み 合 わ せ る こ と で 圧 縮 試 験 片 を 作 製 した.作 成 した試 験 片 の模 式 図 をFig.2‑13に 示 す.Case1は 層 の 向 き を 揃 え,Case2で は 剥 離 の 防 止 の た め 上 下 でgoo回 転 させ 配 置 した.2つ の ポ ー ラ ス チ タ ン の 接 着 に は 両 面 テ ー プ を用 い た.試 験 は 室 温 に て 行 い,初 期 ひ ず み 速 度 は1.67x10'1s胃1 と した.得 られ た 応 力 ひ ず み 線 図 をFig2‑14に 示 す,比 較 の た め,2.2.3で 示 した 寸 法 10x10x20mmの 上 下 で 分 割 を 行 っ て い な い 一 体 で あ る試 験 片 の 応 力 ひ ず み 曲 線 も併 せ て 示 す.Case1で は 層 間 の 剥 離 を伴 う大 き な 座 屈 が 生 じ,singleと 同様 の 変 形 応 力 の 極 端 な 減 少 が 確 認 され た.Case2で は 変 改 過 程 に お い て,ま ず 上 部 の 試 験 片 が 変 形 し,緻 密 化 領 域 に 差 し掛 か る と 下 部 の 試 験 片 の 変 形 が 始 ま る様 子 が 確 認 で き た.試 験 片 接 合 部 が 層 の 方 位 の 違 い に よ り固 定 され,上 下 の 試 験 片 が そ れ ぞ れ 別 々 に圧 縮 され た た め で あ る.こ れ に よ り疑 似 的 に 試 験 片 の ア ス ペ ク ト比 が10x10x10mmの も の と 同様 に な り,座 屈 が 抑 え ら れ た と考 え られ る.

Om2m

Case1

1。mm./孟m

Case2

Fig.2・13Patterndiagramofspecimens.

店Σ＼qののΦとの①≧ののΦ﹄α∈oO 60

5◎

40

30[

2・[

10

0 0

Tempureture:300K Directi◎nin‑plane

lnitialstrainrate:1.67xlO‑3s"1 謹Ox10x20mm,case1 30xlOx20mm,case2 30xlOx20mm,single

1020304050

Compressivestrain,ε(%)

6◎

Fig.2・14Compressivestressstraincurvesof80%pureporoustitaniumwithdifferent

fabricationmethod.

2.2.5.温 度 特 性 調 査

本 項 で は 温 度 が圧 縮 特 性 に お よぼ す 影 響 に つ い て 調 査 す る た め,試 験 片 温 度 を 変 化 させ 圧 縮 試 験 を 行 っ た.得 られ た 応 力 ・ひ ず み 曲線 をFig.2・15に 示 す.温 度 の 上 昇 に伴 い 変 形 応 力 減 少 して い る が,変 形 挙 動 の 変 化 は確 認 され な か っ た.各 試 験 結 果 の プ ラ トー 応 力 お よ び 純 チ タ ン の 引 張 強 さをTable2・2に ま と め る.温 度 の 上 昇 に 伴 う変 形 応 力 の 変 化 は,緻 密 な 純 チ タ ン の 変 形 応 力 の 低 下 と 同様 の割 合 を 示 して お り,こ の 変 形 応 力 の 低 下 は 構 成 材 料 の 温 度 特 性 に 起 因 す る こ とが 確 認 され た.

60

◎0(UOOらゑ     で

ユΣ︑b.ののΦとのΦ﹀ ののΦ﹂α∈OO

0 0

(a)

Direcセbnin‑plane

ln灘alstrainrate・1.67x1σ3♂

1020304050

Compressivestrain,ε(%)

60

店Σ＼qののΦとのΦ﹀⁝ののΦ﹄αεOO 60

50

40

30

20

10

0

(b)

Direction:outof‑plane

lni重ialstralnrate:1。67x壌 σ3s願1

3◎ ◎K 473K 673K

‑ ﹂ ー ー 到

0 10 20 30 40 50 60

Compressivestrain,ε(%)

Fig.2・15Compressivestress・straincurvesofpureporoustitaniumwithdifferent compressiontemperatureat(a)in・plane(b)outof'plane.

Table2・2AffectofCompressiontemperatureofpureporoustitanium.

in‑plane

Pla絵austress.MPa

outoFplane

Plateaus重ress,MPa

densebody '〒

ens襲es重reng童h,Mpa

300K 473K 673K

20.4 10.1 5.9

＼ 2 ︑♪

58.7

6.2 3.3 2.0

＼2︑)一

53,6 59.2

443,0

247,◎

121.6

鰍) ︑♪

49,2

2.4エ ネ ル ギ ー 吸 収 材 料 と して の 適 用

得 ら れ た 気 孔 率80%ポ ー ラ ス チ タ ン に つ い て,エ ネ ル ギ ー 吸 収 部 材 と し て の 適 用 に つ い て 検 討 す る.純 チ タ ン の 高 い 比 強 度 を 考 慮 し,Crushable構 造 へ の 適 用 に つ い て 考 え る.

Crushable構 造 と は 宇 宙 機 期 間 カ プ セ ル に お け る 再 突 入 の 衝 撃 を ポ ー ラ ス 金 属 に よ り緩 和 し,現 在 の パ ラ シ ュ ー トに よ る 衝 撃 緩 和 シ ス テ ム の 代 替 と し て 提 案 され て い る.小 容 積 で 多 く の エ ネ ル ギ ー を 吸 収 す る 必 要 が あ る こ と か ら,ポ ー ラ ス 金 属 の 適 用 が 検 討 され て い る [15].

再 突 入 カ プ セ ル の 地 表 と の 衝 突 速 度vを30m/s,モ ジ ュ ー ル 重 量mを3kgと 仮 定 す る と,吸 収 す べ き エ ネ ル ギ ーWcは1350Jと な る.こ こ で,モ ジ ュ ー ル は3000×9.8m・s‑1 を 許 容 す る も の と 考 え る.こ こ で,1.67×10‑1s‑1の 圧 縮 試 験 結 果 に つ い て50%ま で の 圧 縮 を 考 え た 際 に 必 要 な ポ ー ラ ス チ タ ン の 体 積Vminと 最 大 断 面 積Amαxを 以 下 の 関 係 式(1)(2) よ り算 出 し,Vmin.Amαxか ら材 料 高 さhを 求 め,Table.2・3に ま と め た.

σm。≠<mαc(1) W,。 。/。Vmi。≧Wc(2)

こ こ で は は や ぶ さ の 値(モ ジ ュ ー ル 底 面 積:約28200mm2)を 参 考 に 考 察 を 行 う.Table.2・3 を よ り,outof・planeが エ ネ ル ギ ー 吸 収 量 に 優 れ て い る が,in・planeは プ ラ トー 領 域 が 存 在 す る 分,断 面 積 を 多 く 取 る こ と が 可 能 で あ る.し か し,in・planeは 試 験 片 の 作 成 方 法 上 断 面 積 を 大 き く す る こ と が 困 難 で あ る こ と に 加 え,2.2.2.で 述 べ た よ う に,高 速 で の 圧 縮 で は 層 が 剥 離 す る 変 形 が よ り顕 著 な も の に な る と考 え られ る.Outof・planeで は 断 面 積 を 大 き く す る こ と が で き ず,体 積 を 確 保 す る た め に は 高 さ を 大 き く 取 る 必 要 が あ る た め,カ プ セ ル の 容 積 を 圧 迫 し て し ま う.こ れ ら の 理 由 か ら,こ の 材 料 をCrushable構 造 に 使 用 す る こ と は 不 適 切 で あ る と い え る.

Table2・3Applicationforcrushablestructure σmaxVminAmαxh

MPamm3mm2mm

outof‑plane in‑plane

n◎7̀

(∠貫)7σ(φ

96516.7 105645.3

1211.2 2472.9

7蚕78

◎り(∠74

2.5結 言

三 菱 マ テ リ ア ル 製,CPチ タ ン を 構 成 材 料 と す る 気 孔 率80%の ポ ー ラ ス チ タ ン に つ い て 圧 縮 試 験 を 行 い,圧 縮 特 性 の 評 価 を 行 っ た.ひ ず み 速 度 感 受 性 指 数m値 お よ び 初 期 ひ ず み

1.67xlO・1s・1に お け る ひ ず み50%ま で の エ ネ ル ギ ー 吸 収 効 率 を 以 下 に 示 す.

Min̲plαne=0.018,Moutof̲plαne=0.016 Ptin̲plαne=71.70/o,μoutof̲plαne=38.4%

圧 縮 方 向 に か か わ ら ず,ひ ず み 速 度 感 受 性 を 示 さ な か っ た.In・planeで は ひ ず み 約50%ま で の 広 い プ ラ トー 領 域 が 存 在 し,高 い エ ネ ル ギ ー 吸 収 効 率 を 示 し た.温 度 変 化 の 及 ぼ す 圧 縮 挙 動 へ の 影 響 に つ い て は,構 成 材 料 の 温 度 依 存 性 の み を 反 映 す る 結 果 と な っ た.

crushable構 造 を 例 に エ ネ ル ギ ー 吸 収 部 材 と し て の 適 用 可 能 性 を 検 討 し た.衝 撃 吸 収 に 必 要 な ポ ー ラ ス チ タ ン の 体 積 は,In‑planeに 関 し て は 十 分 適 用 可 能 な 値 と な っ た が,本 供 試 材 は ア ス ペ ク ト比 を 大 き く す る こ と で 層 間 の 剥 離 に よ り 著 し く 変 形 応 力 が 低 下 す る た め 適 用 が 困 難 で あ る.よ っ て 衝 撃 吸 収 部 材 と し て は 適 用 方 法 が 限 定 さ れ る.

第3章 大 阪 冶 金 工 業 株 式 会 社 製 ポ ー ラ ス チ タ ン 3.1.緒 言

本 章 で は 大 阪 冶 金 興 行 製,気 孔 率60%ポ ・一一・ラ ス チ タ ン の圧 縮 試 験 を行 い,圧 縮 挙 動 の 評 価 を 行 う.ひ ず み 速 度 依 存牲 及 び 温 度 の 圧 縮 特 性 に お よぼ す 影 響 に つ い て 併 せ て 調 査 す る.

ま た 、本 章 で はFEMに よ る ポ ー ラ ス 金 属 の圧 縮 解 析 を行 い,ポ ー ラ ス圧 縮 解 析 の有 用 性 に つ い て 評 価 す る.

3.2圧 縮 試 験 方 法

本 研 究 で 用 い た ポ ー ラ ス チ タ ン は 大 阪 冶 金 工 業 株 式 会 社 よ り 提 供 さ れ た.本 供 試 材 はCP チ タ ン 粉 末 よ り,粉 末 法 の 一 種 で あ る ス ペ ー サ ー 法 に て 作 成 さ れ,前 駆 体 材 料 と し て 炭 酸 水 素 ア ン モ ニ ウ ム を 使 用 し た[16].焼 結 は ア ル ゴ ン 雰 囲 気 下 で1673K,2h行 っ た.形 状 は1 辺22mmの 立 方 体 形 状 で あ り,か さ密 度 よ り 算 出 し た 気 孔 率 は60±1%で あ る.Table.3・1 に 本 供 試 材 の 化 学 組 成 を,丘g3・1,2に 試 験 片 の 外 形 お よ び 断 面 写 真 を 示 す.

試 験 装 置 は 島 津 製 作 所 製 圧 縮 試 験 機Concrete2000Xを 用 い た.本 供 試 材 の 圧 縮 特牲 に 及 ぼ す 温 度 の 影 響 を 調 査 す る た め,大 気 雰 囲 気 下 で300(室 温),473,673Kと 供 試 材 温 度 を 変 化 さ せ に て 試 験 を 行 っ た.初 期 ひ ず み 速 度 は7.58x1σ5,7.58xlÒ4,7.58x10'3s'1と し た.

̀◎ ず

、、'

・

、 ・ 〆

唱 国 』

Fig.3・2SEMmicrographsofcellwall.

Table3・1Chemicalcompositionofthespecimens.

Fe

Chem圭calAna辿s治{%)

OCN H

0。05 0.123 0.006 0.015 0.006

3.3.FEM解 析 方 法 3.3.1.モ デ ル 作 製

モ デ ル 作 成 は3D製 図 ソ フ トSolidworksに て 行 っ た.使 用 す るモ デ ル は 切 頂 八 面 体 と呼 ば れ る,正8面 体 の 頂 点 を 切 り落 と した 図 形 に 基 づ き作 成 した.Fig.3‑3に 切 頂 八 面 体 外 形 を 示 す.切 頂 八 面 体 は6方 向 に モ デ ル を連 続 して 配 置 す る こ とで 空 間 充 填 が 可 能 で あ る た め,ユ ニ ッ トセ ル を つ な ぎ 合 わせ て ス ケ ー ル を拡 張 す る こ とが 可 能 で あ る.切 頂8面 体 を も と に,各 辺 を 円柱 に 置 換 す る こ とで 有 限 要 素 解 析 モ デ ル を 作 製 した.ま た,実 際 の ポ ー ラ ス 金 属 の よ うな セ ル が 集 合 した 形 状 を模 擬 す る こ と を考 慮 し,2x2x2サ イ ズ に配 置 した モ デ ル(2x2x2,square)を 作 成 し,単 一 セ ル と合 わ せ て2パ タ ー ン に て圧 縮 解 析 を行 っ た.FEM 解 析 モ デ ル をFig.3・4に 示 す.モ デ ル の ユ ニ ッ トセ ル サ イ ズ を2mm,セ ル 壁 の 直 径 を0.6mm

と し,そ れ に 対 して 要 素 サ イ ズ は0.1mmと した.気 孔 率 は59.3%で あ る.

 け         

、/

メぐノ

Fig.3・3Figureoftruncatedoctahedronin3DCAD.

(a} (b)

鯉執

 ぐ ^「

篤㌦

▲

Fig.3・4FEManalysismodelof(a)unitcell(b>2x2x2cell.

3.3.2.圧 縮 解 析 条 件

有 限 要 素 解 析 ソ フ トANSYSに て圧 縮 解 析 を行 っ た.セ ル 壁 材 料 の 機 械 的 特 性 は純 チ タ ン(KS‑50)の 引 張 試 験 よ り得 られ た 応 カ ーひ ず み 曲 線 に 基 づ い て 設 定 し た[17】.使 用 す る デ ー タ をTable.3‑2に 示 す.実 験 結 果 と の 比 較 の た め,使 用 す る材 料 特 性 に は300,473,673Kの 3条 件 に お け る機 械 的 特 性 を 使 用 す る.圧 縮 に伴 い セ ル 内 部 で 接 触 が 生 じる が,セ ル 壁 の 接 触 が 重 要 とな る 緻 密 化 領 域 の 解 析 を 考 慮 しな い た め,モ デ ル 内 で の 接 触 に 関 す る境 界 条 件

Table3‑2ValueofmechanicalpropertiestobeusedinFEMmodels.

Te卿e血rre,KYoungmodu㎞s,GpaPoiSson'sratk)YS,MpaTangerrtmodWhus,Mpa

300 473 673

103 103 103

0.33 α33 0.33

253 118。1

83.5

20.5 182.3 154.61

3.4結 果 と考 察 3.4.1圧 縮 試 験 結 果

準 静 的 圧 縮 試 験 お よび 高 温 圧 縮 試 験 よ り得 られ た応 カ ーひ ず み 曲 線 をFig.3・5,6に 示 す.ひ ず み2%前 後 で 降 伏 応 力 を 迎 え,そ の 後 も な だ らか に応 力 が 増 加 して お りプ ラ トー 領 域 は観 察 され な か っ た.気 孔 率 が 小 さ くセ ル 壁 が 厚 い た め,セ ル 壁 の 崩 壊 に 伴 う応 力 の 緩 和 が 小 さ い た め だ と考 え られ る.温 度 の 上 昇 と と も に,変 形 応 力 が 低 下 して い る こ とが わ か る.こ れ は構 成 材 料 で あ るCPチ タ ン の 温度 特 性 の影 響 が 支 配 的 で あ る た め と考 え られ る.ま た,初 期 ひ ず み 速 度 の 与 え る圧 縮 特 性 へ の 影 響 を 評 価 す るた め 、 ひ ず み 速 度 感 受 性 指 数m値 を 算 出 した と こ ろ,m=0.018と な っ た[18].