Damage evaluation of silicon nitride ceramics subjected to hypervelocity impact

第5回スペースデブリワークショップ (2013年1月22-23日. 宇宙航空研究開発機構調布航空宇宙センター), 調布市, 東京

5th Space Debris Workshop (January 22-23, 2013, Chofu Aerospace Center, Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA)), Chofu, Tokyo, Japan

ISAS/JAXA では人工衛星・惑星探査機用スラスタの高性能化を目的に、高耐熱温度・高強度・高靭性の構造用セラミックスである窒化ケイ素セラミックスを用いたスラスタを開発している。宇宙用構造部材として脆性材料を用いる際には、熱的・機械的な準静的強度特性に加えて、スペースデブリやメテオロイドなどの宇宙浮遊物との超高速衝突に対する動的破壊特性の評価も必要となる。そこで、窒化珪素セラミックスの超高速衝突に対する損傷評価を目的に、超高速衝突実験を行った。衝突により生じるクレータ深さを、衝突体の直径・密度・速度の指数関数として表現することにより、超高速衝突に対する貫入方程式を構築した。超高速衝突損傷形態は、クレータ損傷、クレータ＋スポール損傷、貫通損傷に分類された。各損傷形態が生じる衝突条件は、損傷形態に依存した係数を貫入方程式に掛け合わせることにより記述され、窒化珪素セラミックスの超高速衝突に対する損傷形態の予測が可能となった。

A new advanced ceramic thruster made of monolithic silicon nitride has been developed in ISAS/JAXA. In order for secure operation of a spacecraft, the reliability of the ceramic component against space debris and micrometeoroid impact has been investigated through hypervelocity impact tests. Silicon nitride plates were impacted by spheres of stainless-steel and other materials with 0.2-0.8-mm diameters in the velocity range up to 8.0 km/s using a two-stage light-gas gun. Using crater depth data under various impact conditions, the penetration equation of silicon nitride was determined. The impacted samples showed fracture patterns of three types: cratering, cratering with spallation, and perforation. These fracture patterns were well categorized by the multiple forms of the penetration equation.

形態: カラー図版あり

Physical characteristics: Original contains color illustrations

資料番号: AA0062322020

レポート番号: JAXA-SP-13-018