MTS に在籍する科学者の Erik Schwarzkopf 博士は、材料試験、冶金学、システムエンジニアリングの分野において 25 年以上の経験を持ち、独自の専門知識を顧客に提供しています。この Q&A では、数種類の高温材料試験に内在する課題とトレードオフについて説明します。
Q：高温下での材料特性の測定が求められている理由は何でしょうか？
A： 超低燃費の航空機、自動車、発電システムの設計者は、強度重量比が高い材料や、より高い使用温度に長時間耐えられる材料を必要としています。どちらの場合も、目的は同じです。燃料効率。
Q：なぜこのようなテストは複雑なのでしょうか？
A： 「高温」は、研究者によって意味が異なります。一般的に、強度重量比の高い素材の温度範囲は 3 つに分けて考えられます。1 つ目は、200℃ ～ 500℃ の PMC（ポリマーマトリックス複合材）用です。2 つ目は、800℃ ～ 1000℃までの金属用です。3 つ目は、CMC（セラミックマトリクス複合材）用で、最高 1500℃までテストを行います。それぞれの範囲において、テストエンジニアが効果的にテストを実行し、高温で材料特性を測定し、高品質な結果を得るためには、トレードオフを慎重に検討する必要があります。
Q：試験データの精度に影響を及ぼすトレードオフはどのようなものでしょうか？
A： 問題が生じるのは、試験片に触れる必要のあるものや、試験片の近くにあるものを扱うときです。つまり、グリップ、伸縮計、そして加熱炉や試験室です。問題はシステム的なものなので、あるコンポーネントの問題を解決すると、別のコンポーネントにも問題が生じる傾向があります。
Q：これらの相互に関連する問題は、テストのセットアップ時にどのように現れますか？
A： 多くの場合、この問題は試験片に現れます。PMC と CMC の試験片は平板です。丸型、ネジ型、ボタンヘッド型の金属試験片と同じようにはつかむことができません。PMC には、費用効率が高く、使い勝手の良い油圧ウェッジグリップをお勧めします。PMC の試験片は壊れやすいことが多いのですが、油圧ウェッジからの均一な圧力により、ポリマーマトリックスの繊維を保護して潰れないようにし、試験室とウェッジヘッドが加熱されても適正な圧力を維持します。このグリップは比較的大きいので、大きめの環境試験室と組み合わせて使うことが多いです。通常、環境試験室は、高温の試験に必要な加熱炉よりも大きいですが、グリップと試験室の熱質量により、非常に安定した温度を実現しています。
Q：大きめのグリップを試験室内に入れるとどうなりますか？
A： 試験室が大きいと、テストエンジニアが通常使用する接触式伸縮計を使用することが難しくなります。試験室が小さければ、センサー技術を試験室の外に設置し、コンタクトアームの動きを変換することができます。しかし、試験室が大きくなると、アームが長くなりすぎて、その動きをチャンバーの外に効率よく変換することができません。伸縮計は試験室内に設置する必要がありますが、温度の上昇によって繊細な電子機器にダメージを与えてしまいます。
Q：伸縮計を用いてこの問題を解決するには？
A： それを解決する一つの方法として、チャンバーの外に設置できるビデオ・エクステンソメトリーとデジタル画像相関を用いることがあります。窓付きのチャンバーでは、中をのぞいてリアルタイムに動きを計測することができます。しかし、これにも複雑な事情があります。カメラ用に試験片を照らすためには、チャンバー内にライトが必要です。また、いくつかの温度では、試験片の照明（または、黒体放射）によって、ビデオ伸縮計のコントラストと精度が低下します。青色 LED を使って庫内を照らす方法と、黒体効果を最小限に抑えてコントラストを高めるための光学フィルターを開発しました。
Q：このような問題があるのに、なぜ丸型を使わないのか。
A： PMC や CMC は通常、平らな構造部品として設計されます。金属の場合でも、特に使用している材料を試験することが目的の場合は、丸い試験片を作るのに十分な大きさの材料を得ることができないことがよくあります。例えば、ジェットエンジンのタービンブレードのように、大きな部品から小さな試験片を切り出すこともあります。アプリケーションの温度が最も高くなるブレードは、空気を通すための冷却孔を持つ単結晶の種から成長します。このような複雑な形状のブレードは、丸い試験片を作るには十分なバルクがありません。単結晶のデンドライト間の間隔が試験片の寸法に近い場合、試験片はバルクの丸い試験片とは全く異なる動作をする可能性があります。
Q：各温度帯でのトレードオフは同じですか？
A： 全くありません。例えば、通常、ほとんどの高温用途には MTS の高温用グリップをお勧めしています。しかし、 CMC の範囲が 1000℃ を超えると、これらのグリップは強度が低下してきます。理想的には、グラデーションを最小化するために、グリップができるだけ熱くなるようにし、グリップ自体が柔らかくならないようにすることです。十分な長さの試験片があれば、コールドグリップを使うこともできた。しかし、丸い形にできないのと同じ理由で、長い形にできない試験片もあります。また、コールドグリップを使用したとしても、より大きなグラデーションを導入することになるため、そのグラデーションのばらつきにより、より多くの試験を行う必要があり、費用がかさむことになります。
Q：最も高温な温度域で試験片を把持するためのソリューションとは？
A： 当社は、どのような温度範囲が必要かに応じて、2 つの方法でアクティブに冷却されるグリップを開発しました。どちらも、炉内の中心部よりも相対的に温度が低い場所にグリップを配置するという同じコンセプトで作られています。センターゾーンが 1200℃ だとすると、上部と下部は 1000℃ に近い。アクティブクーリングを使えば、グリップは温度の低い部分にとどまり、なおかつ許容範囲内の勾配で試験片を固定することができます。1000℃ までの金属を試験するために、適度に冷却されたグリップを開発しました。1500℃ までの CMC を試験するために、当社はしっかり冷却されたグリップを持っています。
Q：なぜ、試験全体を理解しているソリューションプロバイダーと協力することが重要なのでしょうか？
A： この種の試験のために市販されている出来合いのソリューションはほとんどないからこそ、重要なのです。多くのラボでは、さまざまなプロバイダーの部品を組み合わせて、これらのソリューションを自社で構築しようとしています。問題は、そのトレードオフがあまりにも複雑に絡み合っていることです。伸長計の専門家は、自分の提供する製品を窓越しやチャンバー内で機能させる方法を理解していないかもしれません。グリップの専門家は冷却されたグリップを使えるようになるかもしれませんが、その勾配が大きすぎて試験結果に疑問を投げかけるほどだったりします。MTS は全体のソリューションをまとめることができます。システムインテグレーションの専門知識は、革新的な高温試験において非常に価値のあるものです。それは、ばらつきを抑え、より少ない試験で正確な結果を得ることができるからです。
