JPH07286982A

JPH07286982A - セラミックス構造部品の寿命予測方法及び保守点検方法

Info

Publication number: JPH07286982A
Application number: JP6080435A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Yasutomi; 義幸安富; Motoyuki Miyata; 素之宮田; Tsuneyuki Kanai; 恒行金井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-04-19
Filing date: 1994-04-19
Publication date: 1995-10-31

Abstract

(57)【要約】【目的】信頼性を向上させたセラミックス構造部品の
寿命予測方法、又は、このセラミックス構造部品を用い
た各種プラントの寿命診断方法を提供し、更に、寿命を
直接診断、予測可能なセラミックス構造部品とその製造
方法を提供する。【構成】セラミックス構造部品の表面又は表面近傍に
導電回路を設け、この導電回路に誘導電流を流し、その
電圧変化に基づいてセラミックス構造部品の寿命を予測
する。更に、電圧変化の変化量と予め求められたセラミ
ックス構造部品の寿命を示す電圧変化量で表わされるし
きい値とを比較し、前記電圧変化の変化量が前記しきい
値に達した時点でセラミックス構造部品の保守、点検を
行なう。更に、これを各種プラントの寿命診断に応用し
た。又、上記導電回路を設けたセラミックス構造部品と
その製造方法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、実際の実働状態下にお
いて寿命を判断することが可能な、セラミックス構造部
品の寿命予測方法及び保守点検方法、更にガスタービ
ン、原子力プラント、核融合プラント、電磁流体発電プ
ラント等の各種プラントの実働状態において寿命を監視
するプラントの寿命診断方法、又は、実働状態において
寿命予測や保守点検が可能なセラミックス構造部品及び
その製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の構造用セラミックスを実構造部品
に適用するための大きな問題点は、信頼性が低いことに
ある。セラミックスは、金属に比較して、耐熱性、耐酸
化性、耐摩耗性に優れるが、破壊靭性値が小さい(粘り
が無い)ために信頼性が低く、実機構造部品に適用しず
らい問題が有る。今まで、この問題を解決する方法とし
て、靭性を向上させる方法(文献；「Ｓi₃Ｎ₄−ＳiＣウイ
スカー系複合セラミックス」、セラミックス、No.12、19
83)や超音波などによりクラック進展を確認する方法(文
献；「セラミックスの非破壊評価技術」、セラミックス、
No.10、1985)が行われている。

【０００３】又、例えばガスタービンプラントなどの保
守時期の決定方法としては、寿命計算により行なう(特
開昭59-3335号公報)、実機構造部品のそばに被測定材を
設け、被測定材の寿命を測定することにより診断を行な
う(特開昭57-113360号公報)などがある。何れも、実機
構造部品自身の寿命を直接診断しておらず、正確な寿命
診断方法ではない。実機構造部品自身に測定手段を設け
たものとしては、実機構造部品表面に取り付けられた電
気的な測定手段によってき裂深さの経時的変化を監視す
るもの(特開昭56-75907号公報)が知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、実機
構造部品自身の寿命診断について配慮がなされておら
ず、高信頼性、寿命診断に自ずから限界があった。なぜ
なら、従来の靭性を向上させる方法では、粒子分散や繊
維強化を行なっても、セラミックス自身の物理的特性を
根本的に変えることはできず、見掛け上靭性は向上する
が、その値は金属の１／５であり、やはり信頼性は低
い。又、超音波などによりクラック進展を確認する方法
は、試験片レベルでの測定は可能であるが、実機構造部
品に適用するには、セラミックス構造部品へのセンサー
の貼り付け、計測装置の付加など、耐熱環境下などでは
適用不可能であった。又、実機構造部品自身の寿命を直
接診断しない方法では、セラミックスを使用するには信
頼性が低い。

【０００５】本発明第１の目的は、実機構造部品である
セラミックス構造部品の寿命を直接診断、予測し、これ
によってセラミックス構造部品の寿命予測及び保守、点
検を可能にするセラミックス構造部品の寿命予測方法及
び保守点検方法を提供することである。

【０００６】本発明第２の目的は、各種プラントを構成
する構造部品の内、セラミック焼結体よりなる構造部品
の寿命を直接診断、予測し、これによってプラントの寿
命を診断する各種プラントの寿命診断方法を提供するこ
とである。

【０００７】本発明第３の目的は、実機構造部品である
セラミックス構造部品に使用されているセラミックス焼
結体の寿命を直接診断、予測可能なセラミックス構造部
品とその製造方法を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本第１発明は、セラミックス構造部品の表面又は表
面近傍に導電回路を設け、該導電回路に誘導電流を流
し、その電圧変化に基づいて前記セラミックス構造部品
の寿命を予測することである。

【０００９】本第２発明は、セラミックス構造部品の表
面又は表面近傍に導電性セラミックスを有する導電回路
を設け、該導電回路に誘導電流を流し、その電圧変化に
基づいて前記セラミックス構造部品の寿命を予測するこ
とである。

【００１０】本第３発明は、セラミックス構造部品の表
面又は表面近傍に炭素を有する導電回路を設け、該導電
回路に誘導電流を流し、その電圧変化に基づいて前記セ
ラミックス構造部品の寿命を予測することである。

【００１１】本第４発明は、セラミックス構造部品の表
面又は表面近傍に金属を有する導電回路を設け、該導電
回路に誘導電流を流し、その電圧変化に基づいて前記セ
ラミックス構造部品の寿命を予測することである。

【００１２】本第５発明は、セラミックス構造部品の表
面又は表面近傍に導電回路を設け、該導電回路に誘導電
流を流し、その電圧変化を測定し、該電圧変化の変化量
と予め求められた前記セラミックス構造部品の寿命を示
す電圧変化量で表わされるしきい値とを比較し、前記電
圧変化の変化量が前記しきい値に達した時点で前記セラ
ミックス構造部品の保守、点検を行なうことである。

【００１３】本第６発明は、燃焼ガスによってタービン
を回転させるガスタービンにおいて、該ガスタービンを
構成する複数の構造部品の少なくとも１つがセラミック
ス焼結体より成り、該セラミックス焼結体の表面又は表
面近傍に導電回路を設け、該導電回路に誘導電流を流
し、その電圧変化に基づいて前記セラミックス焼結体の
寿命を監視することである。

【００１４】本第７発明は、原子核分裂によって発生し
たエネルギーを利用する原子力プラントにおいて、該原
子力プラントを構成する複数の構造部品の少なくとも１
つがセラミックス焼結体よりなり、該セラミックス焼結
体の表面又は表面近傍に導電回路を設け、該導電回路に
誘導電流を流し、その電圧変化に基づいて前記セラミッ
クス焼結体の寿命を監視することである。

【００１５】本第８発明は、原子核融合によってエネル
ギーを発生する核融合プラントにおいて、該核融合プラ
ントを構成する複数の構造部品の少なくとも１つのプラ
ズマに対向する側にセラミックス焼結体を設け、該セラ
ミックス焼結体の表面又は表面近傍に導電回路を設け、
該導電回路に誘導電流を流し、その電圧変化に基づいて
前記セラミックス焼結体の寿命を監視することである。

【００１６】本第９発明は、高温ガスプラズマが磁場を
横切って高速で流れることによって電気エネルギーを発
生する電磁流体発電プラントにおいて、該電磁流体発電
プラントを構成する高温ガス排気ダクト内壁がセラミッ
クス焼結体よりなり、該セラミックス焼結体の表面又は
表面近傍に導電回路を設け、該導電回路に誘導電流を流
し、その電圧変化に基づいて前記セラミックス焼結体の
寿命を監視することである。

【００１７】本第１０発明は、セラミックス焼結体を有
するセラミックス構造部品において、該セラミックス焼
結体の表面又は表面近傍に炭素、セラミックス、金属の
少なくとも１つによって構成された誘導電流発生用の導
電回路を設けたことである。

【００１８】本第１１発明は、セラミックス焼結体を有
するセラミックス構造部品において、該セラミックス焼
結体の表面又は表面近傍に炭素繊維、セラミックス繊
維、金属繊維の少なくとも１つによって構成された誘導
電流発生用の導電回路を設けたことである。

【００１９】本第１２発明は、本第１０発明又は第１１
発明において、前記導電回路は、該導電回路の外部回路
に電気的に接続される端子を有したことである。

【００２０】本第１３発明は、本第１０発明又は第１１
発明において、前記導電回路は、前記セラミックス焼結
体の熱応力を緩和する十分な温度に加熱可能な抵抗値を
有したことである。

【００２１】本第１４発明は、本第１０発明又は第１１
発明において、前記導電回路の比誘電率は３０以上又は
前記導電回路の透磁率は１以上である。

【００２２】本第１５発明は、本第１０発明又は第１１
発明において、前記セラミックス焼結体は、酸化物、窒
化物、炭化物、炭窒化物、酸窒化物、硼化物、ケイ化物
の少なくとも１つからなるものである。

【００２３】本第１６発明は、セラミックス焼結体を有
するセラミックス構造部品において、該セラミックス焼
結体の表面又は表面近傍に導電回路を設け、該導電回路
は、Ｃ及び／又は、Ｓi、Ｔi、Ｚr、Ｃr、Ｗ、Ｍｏの何
れか１つからなる単体又は窒化物、炭化物、炭窒化物、
硼化物、ケイ化物の少なくとも１つからなるものであ
る。

【００２４】本第１７発明は、セラミックス粉末を有す
る成形体の表面又は表面近傍に炭素繊維及び／又は導電
性セラミックスよりなる誘導電流発生用の導電回路の形
成用組成物を設け、前記成形体及び前記形成用組成物を
同時に焼結することである。

【００２５】本第１８発明は、金属粉末を有する成形体
の表面又は表面近傍に炭素繊維及び／又は導電性セラミ
ックスよりなる誘導電流発生用の導電回路の形成用組成
物を設け、前記成形体及び前記形成用組成物を同時に窒
化性、炭化性、炭窒化性ガス雰囲気で焼結することであ
る。

【００２６】本第１９発明は、焼結後のセラミックス焼
結体の表面又は表面近傍に炭素繊維及び／又は導電性セ
ラミックスよりなる誘導電流発生用の導電回路を設けた
ことである。

【００２７】

【作用】本第１発明〜第４発明によれば、セラミックス
構造部品の表面又は表面近傍に導電回路を設け、この導
電回路に誘導電流を流し、その電圧変化に基づいて前記
セラミックス構造部品の寿命を予測するものであるか
ら、導電回路に交流電流を流すと、単純な一様性は存在
せずに、電流密度は中心部よりも外側の表面に近いとこ
ろで大きくなり、この誘導電流により発生した表皮効果
をセラミックス構造部品の表面層まで到達させることが
出来る。この誘導電流の非一様性の程度の大きさは周波
数の上昇につれて増大する。表皮効果は、主に導体内の
違った経路をたどると自己誘導起電力が異なることによ
る。これらの自己誘導起電力は磁束変化率に依存するの
で周波数とともに増大する。最小の磁束と交鎖する経路
の起電力は最小となる。内部交鎖数は周波数が上昇する
と減少し、表皮効果を大きくすることが可能となる。こ
の周波数の増加に伴い抵抗、電圧が増加する。今、セラ
ミックス構造部品表面に亀裂が入ると、表皮効果の距離
が変化するために電圧に変化が生じることになる。

【００２８】更に本発明は、導電性セラミックス、炭
素、金属等を有する導電回路を設け、この導電回路の表
面又は表面近傍に誘導電流を発生させ、亀裂、変形、温
度、酸化、腐食等によるその電圧変化を測定するので、
一般的な導電回路の材質で表皮効果の大きい導電回路を
設けることが出来る。

【００２９】又、セラミックス構造部品内に誘導電流を
発生させる導電回路を複数列並べることにより、セラミ
ックス構造部品の表面全体が検出可能となる。更に、こ
のセラミックス構造部品の寿命予測方法は、複雑形状の
セラミックス構造部品にも適用可能である。

【００３０】本第５発明によれば、セラミックス構造部
品の表面又は表面近傍に導電回路を設け、この導電回路
に誘導電流を流し、その電圧変化を測定し、この電圧変
化の変化量と予め求められたセラミックス構造部品の寿
命を示す電圧変化量で表わされるしきい値とを比較し、
電圧変化の変化量がしきい値に達した時点でセラミック
ス構造部品の保守、点検を行なうので、誘導電流を発生
させる導電回路の電圧の変化は、セラミックス構造部品
の表面に発生した亀裂により生じ、この変化を測定し、
しきい値と比較することにより、保守、点検が可能にな
る。セラミックス構造部品の表面にクラックが入ると、
これにより電圧が変化する。この値を読み取り、外部に
設けられた計算機によりしきい値と比較し、このしきい
値を超えたとき、このセラミックス構造部品の保守、点
検を行う。事前に破壊防止が可能になり、この保守点検
方法によりセラミックスの信頼性が大幅に向上する。

【００３１】本第６発明〜第９発明によれば、各種プラ
ントを構成する複数の構造部品の少なくとも１つがセラ
ミックス焼結体より成り、このセラミックス焼結体の表
面又は表面近傍に導電回路を設け、この導電回路に誘導
電流を流し、その電圧変化に基づいてセラミックス焼結
体の寿命を診断するので、プラントの各構造部品全体に
導電回路を設けなくても、最大応力が発生する近傍や摩
耗が生じる構造部品に設けるだけで寿命を監視出来る。
又、導電回路は表面又は表面近傍に設けるので、十分に
構造部品の表面又は表面近傍に表皮効果が生じる。表面
に発生した亀裂により電圧変動が生じ、設定されたしき
い値を超えたとき保守が必要であると判断し、設備を止
め、構造部品の交換を行なうことが出来る。

【００３２】本第１０発明、第１１発明によれば、セラ
ミックス焼結体の表面又は表面近傍に炭素、セラミック
ス、金属、又は炭素繊維、セラミックス繊維、金属繊維
の少なくとも１つによって構成された誘導電流発生用の
導電回路を設けたので、この導電回路で発生した表皮効
果が十分に発揮出来ると共に、この導電回路の炭素、セ
ラミックス、金属又は炭素繊維、セラミックス繊維、金
属繊維はセラミックス焼結体の強化材としての働きを有
する。

【００３３】本第１２発明によれば、本第１０発明又は
第１１発明において、導電回路は、この導電回路の外部
回路に電気的に接続される端子を有したので、本第１０
発明又は第１１発明の作用と共に、この導電回路の外部
電源に電気的に接続することが容易になる。

【００３４】本第１３発明によれば、本第１０発明又は
第１１発明において、導電回路は、セラミックス焼結体
の熱応力を緩和する十分な温度に加熱可能な抵抗値を有
したので、本第１０発明又は第１１発明の作用と共に、
セラミックス焼結体を十分加熱して外部からの熱応力を
緩和する機能を持たせることが可能であり、特に、急激
な熱応力が発生した場合の応力緩和に極めて有効であ
る。

【００３５】本第１４発明によれば、本第１０発明又は
第１１発明において、導電回路の比誘電率は３０以上又
は導電回路の透磁率は１以上であるので、本第１０発明
又は第１１発明の作用と共に、セラミックス焼結体の十
分な表皮効果をもたらすことが出来る。

【００３６】本第１５発明によれば、本第１０発明又は
第１１発明において、セラミックス焼結体は、酸化物、
窒化物、炭化物、炭窒化物、酸窒化物、硼化物、ケイ化
物の少なくとも１つからなるので、本第１０発明又は第
１１発明の作用と共に、セラミックス焼結体は、成形体
から焼結体への焼結時の寸法変化率が１％以下と小さ
く、成形体中に配向した寿命測定用の誘導電流発生用の
導電回路が変形、切断することなくセラミックス焼結体
中に配向され、導電回路自身にも残留応力が残らない。
又、セラミックス焼結体は多孔質のため、構造部品に使
用する際には、必要とされる特性を満足する物質を表
面、内部にコーティング、含浸することが可能になる。
更に、セラミックス焼結体の表面を緻密質の耐摩耗材、
耐熱材、耐腐食材等で構成することが出来る。ＳｉＣの
導電回路は、耐熱部品の表面亀裂を検出するのに有効で
ある。又、複合化、粒子分散強化をすることにより単体
よりも剛性を高めることが出来る。

【００３７】第１６発明によれば、セラミックス焼結体
の表面又は表面近傍に導電回路を設け、この導電回路
は、Ｃ及び／又は、Ｓi、Ｔi、Ｚr、Ｃr、Ｗ、Ｍｏの何
れか１つからなる単体又は窒化物、炭化物、炭窒化物、
硼化物、ケイ化物の少なくとも１つからなるものである
ので、このセラミックス焼結体は、成形体から焼結体へ
の焼結時の寸法変化率が１％以下と小さく、これに設け
られた導電回路が変形、切断することなくセラミックス
焼結体中に配向され、導電回路自身にも残留応力が残ら
ない。又、セラミックス焼結体は多孔質なので、構造部
品に使用する際には、必要とされる特性を満足する物質
を表面、内部にコーティング、含浸することが可能にな
る。更に、セラミックス焼結体の表面を緻密質の耐摩耗
材、耐熱材、耐腐食材等で構成することが出来る。Ｓｉ
Ｃの導電回路は、耐熱部品の表面亀裂を検出するのに有
効である。

【００３８】本第１７発明によれば、セラミックス粉末
を有する成形体の表面又は表面近傍に炭素繊維及び／又
は導電性セラミックスよりなる誘導電流発生用の導電回
路の形成用組成物を設け、成形体及び形成用組成物を同
時に焼結するので、焼結されたセラミック焼結体を強化
したものを同時に容易に得ることが出来る。

【００３９】本第１８発明によれば、金属粉末を有する
成形体の表面又は表面近傍に炭素繊維及び／又は導電性
セラミックスよりなる誘導電流発生用の導電回路の形成
用組成物を設け、成形体及び形成用組成物を同時に窒化
性、炭化性、炭窒化性ガス雰囲気で焼結するので、金属
粉末が反応性ガスと反応して生成物を生成すると共に、
この無機化合物やこの導電回路を該生成物で結合するこ
とにより、気孔率が５〜３０ｖｏｌ％の誘導電流発生用
導電回路が配向された反応焼結のセラミックス焼結体が
製造可能である。

【００４０】本第１９発明によれば、焼結後のセラミッ
クス焼結体の表面又は表面近傍に炭素繊維及び／又は導
電性セラミックスよりなる誘導電流発生用の導電回路を
設けたので、焼結処理によって、その焼結温度に耐えら
れないような誘導電流発生用の導電材料を導電回路とし
て設けることが可能になる。

【００４１】

【実施例】以下、本発明に係る実施例を詳細に説明す
る。本発明は、セラミックス構造部品に１次元以上の配
向を有する抵抗率１×１０¹Ωｃｍ以下の導電回路を設
け、この導電回路により構造部品表面に誘導電流を発生
させ、亀裂、変形、温度、酸化、腐食等によるその電圧
変化を測定することにより、このセラミックス構造部品
の寿命を予測する寿命予測方法、又は、保守、点検を行
なう保守点検方法を提供することにある。

【００４２】本発明は、高周波電流又は電磁波が導電回
路の表面層に流れるようにする。そして、導体回路で発
生した表皮効果をセラミックス構造部品表面層まで到達
させることにより、本発明が達成可能となる。導電回路
に交流電流を流すと、単純な一様性は存在せずに、電流
密度は中心部よりも外側の表面に近いところが大きくな
る。この非一様性の程度の大きさは周波数の上昇につれ
て増大する。表皮効果は、主に導体内の違った経路をた
どると自己誘導起電力が異なることによる。これらの自
己誘導起電力は磁束変化率に依存するので周波数ととも
に増大する。最小の磁束と交鎖する経路の起電力は最小
となる。内部交鎖数は周波数が上昇すると減少し、表皮
効果を大きくすることが可能となる。この周波数の増加
に伴い抵抗、電圧が増加する。

【００４３】図１は、導電回路周囲に生ずる表皮効果を
説明する断面図である。セラミックマトリックスである
試料２内に誘導電流発生用の導電回路が設けられ、表皮
効果１４が導電回路３周囲に生じる、試料表面１２に亀
裂１０が入ると、表皮効果の距離が変化するために電圧
に変化が生じる。このように、試料２内に誘導電流発生
用の導電回路３を並べることにより試料表面全体が検出
可能となる。この際、表皮効果１４の干渉が生じる部分
については、それを考慮して制御器で補正することによ
り検出精度を向上できる。

【００４４】図２は、他の導電回路周囲に生ずる表皮効
果を説明する断面図である。この図に示すように、セラ
ミックマトリックス１中の誘導電流発生用の導電回路３
の表面層１５を比誘電率３０以上又は透磁率１以上の材
料組成で構成することにより、十分な表皮効果１４をも
たらすことが出来る。この比誘電率及び透磁率は、表面
層１５から傾斜的に構成することも可能である。透磁率
の大きい材料組成としては、フェライト系化合物、Ｃｒ
Ｏ₂、ＳｒＣｏＯ₃、ＭｎＰ、ＭｏＯ、ＮｉＯなどが有
る。又、比誘電率の大きい材料組成としては、ＳｉＣ、
ＰＺＴ系、ＰｂＴｉＯ₃、ＬｉＴａＯ₃、ＬｉＮｂＯ₃等
がある。

【００４５】本発明は、セラミックス構造部品に設けら
れる寿命測定用誘導電流発生用の導電回路をＣ、Ｓｉ
Ｃ、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＺｒＮ、Ｃｒ₂Ｎ、Ｗ、Ｍｏ等の
低抵抗率の繊維、粒子或いは薄膜のような連続体で構成
する。導電性の有る繊維、粒子を耐熱性のある絶縁性の
繊維、粒子と複合化することも可能である。又、弾性率
の異なる２種類以上の繊維、粒子で構成することも寿命
診断に有効である。寿命測定用の導電回路がセラミック
ス構造部品の強化材としての効果を兼ねることが重要で
ある。材質としては、Ｃ、ＳｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣ、Ｚ
ｒＮ、Ｃｒ₂Ｎ等の単体以外に、Ｃ／ＳｉＣ、Ｃ／Ａｌ₂
Ｏ₃、Ｃ／Ｓｉ₃Ｎ₄、Ｃ／Ｓｉ₂Ｎ₂Ｏ、ＳｉＣ／Ｓｉ₃Ｎ
₄、ＳｉＣ／Ｓｉ₂Ｎ₂Ｏ、ＳｉＣ／Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＮ／
Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＮ／Ｓｉ₃Ｎ₄、ＴｉＮ／Ｓｉ₂Ｎ₂Ｏの複
合化が有効である。特に、検出感度を高めるために、リ
ボン状にするとか、複数の繊維をより合わせることが表
皮効果を一様にするのに有効である。更に、最表面層に
表皮効果をもたらすために、構造部品の表面又は表面近
傍に誘導電流発生用の導電回路を設け、ＳｉＣ等導電性
を有する耐環境性の被覆を設けることが好ましい。これ
により、表皮効果を構造部品の表面層までもたらすこと
が出来る。

【００４６】ここで、ガラス繊維と上記導電物質との組
合せは、誘導電流による発熱によりガラス繊維が劣化す
る等の問題があり、適用不可能である。従って、寿命測
定用の導電回路の構成を耐熱性のある導電性繊維／粒子
及び耐熱性のある絶縁性の繊維／粒子で複合化すること
が重要である。

【００４７】本発明では、構造部品の表面又は表面近傍
に寿命測定用の導電回路を設けることが出来るため、複
雑形状品にも対応が可能である。又、ＳｉＣを寿命測定
用導電回路にすることにより、耐熱部品の表面の亀裂検
出に有効となる。

【００４８】本発明において、寿命測定用誘導電流発生
用の導電回路の電圧の変化は、構造部品の表面に発生し
た亀裂により生じ、この変化を測定し、しきい値と比較
することにより、寿命予測、寿命診断、保守診断等が可
能になる。例えば、セラミックス部品表面にクラックが
入ると、これにより電圧が変化する。この値を読み取
り、外部に設けられた計算機によりしきい値と比較し、
しきい値を超えると自動的に停止信号を出すようにす
る。これにより、セラミックス構造部品が破壊する前に
設備を停止させ、構造部品の交換を行うことが出来る。
本発明において、この寿命診断用の導電回路がセラミッ
クス構造部品の強化作用を兼ねることも可能である。

【００４９】本発明の機能融合構造部品により、セラミ
ックス構造部品が破壊を起こす前に、電圧の変化があら
われ、破壊防止及び寿命診断が可能である。この診断に
よりセラミックス構造部品の信頼性が大幅に向上可能で
ある。この電圧の変化をシステムに送り、この値が決め
られたしきい値を超えたときシステムを自動的に停止さ
せ、保守点検を行う。各種機械構造部品への寿命診断の
誘導電流発生用の導電回路の設置は、各種機械構造部品
全体に設けなくても、最大応力が発生する近傍や摩耗が
生じる面に設けるだけでもよい。又、寿命診断の誘導電
流発生用の導電回路は表面又は表面近傍（表面から１５
ｍｍ以内）に設ける必要が有る。何故なら、表面から遠
くなると構造部品表面に表皮効果が生じないためであ
る。表面に発生した亀裂により電圧変動が生じ、設定さ
れたしきい値を超えたとき保守が必要であると判断し、
設備を止め、部品の交換を行なうのである。

【００５０】更に本発明は、酸化物、炭化物、窒化物、
炭窒化物の少なくとも一種からなるセラミックス焼結体
の機械構造部品に構成した寿命測定用誘導電流発生用の
導電回路を加熱用ヒータとして用いることにより、外部
からの熱応力を緩和する機能を持たせることが可能であ
ることを見出した。特に、急激な熱応力が発生した場合
の応力緩和に極めて有効である。

【００５１】この新機能性セラミックス焼結体の製法
は、常圧焼結、反応焼結、ＨＰ、ＨＩＰ、ＣＶＤ、ＰＶ
Ｄ、溶射等が使用可能である。特に、常圧焼結、反応焼
結がコスト面から有効である。このセラミックス焼結体
は、複合化、粒子分散強化をすることにより単体よりも
剛性を高めたセラミックス焼結体を使用することが出来
る。

【００５２】本発明は、特に、上記セラミックス焼結体
を酸化物、炭化物、窒化物、炭窒化物の少なくとも一種
からなる反応焼結のセラミックス焼結体とすることによ
り容易に達成可能である。何故なら、反応焼結のセラミ
ックス焼結体では、成形体から焼結体への焼結時の寸法
変化率が１％以下と小さいために、成形体中に配向した
寿命測定用誘導電流発生用の導電回路が変形、切断する
ことなく焼結体中に配向され、導電回路自身にも残留応
力が残らないためである。又、反応焼結のセラミックス
焼結体は多孔質のため、構造部品に使用する際には、必
要とされる特性を満足する物質を表面、内部にコーティ
ング、含浸することが可能である。コーティング、含浸
方法は、ＣＶＤ、ＣＶＩ、ＰＶＤ、イオン打ち込み、レ
ーザー等各種可能である。これにより、内部に寿命測定
用誘導電流発生用の導電回路が配向され、反応焼結のセ
ラミックス焼結体表面が緻密質の耐摩耗材、耐熱材、耐
腐食材等で構成されたセラミックス構造部品が出来る。
又、ＨＩＰを併用することにより反応焼結後緻密化可能
である。

【００５３】反応焼結のセラミックス構造部品の製造方
法としては、金属粉末(Ｓｉ、Ａｌ等)、或いは金属粉末
と酸化物、炭化物、窒化物、炭窒化物の少なくとも一種
の無機化合物からなる成形体中に、１次元以上の配向を
有する抵抗率１×１０¹Ωｃｍ以下の誘導電流発生用の
導電回路を構成し、窒化性、炭化性、炭窒化性、酸化
性、酸窒化性の少なくとも一つからなる反応性ガス雰囲
気中で加熱することにより、金属粉末が反応性ガスと反
応して生成物を生成すると共に、この無機化合物や導電
回路をこの生成物で結合することにより、気孔率が５〜
３０ｖｏｌ％の誘導電流発生用の導電回路が配向された
反応焼結のセラミックス構造部品が製造可能である。こ
のセラミックス焼結体表面の切断、変形、温度、酸化、
腐食等による電圧変化を測定することにより、このセラ
ミックス焼結体の寿命を診断することが可能である。

【００５４】本発明の他の製造方法としては、グリーン
シート成形法が低コスト製造法に有利である。有機バイ
ンダとセラミックス粉末から成るスラリーを用いてドク
ターブレードによりグリーンシート成形し、パンチング
により任意の形状に切り出し、焼結する方法である。グ
リーンシートの厚みは１ｍｍから５ｍｍが適当である
が、部品形状により任意の厚さが可能で、このグリーン
シートを重ね合わる。焼結後、必要により仕上げ加工を
行なう。

【００５５】セラミックス焼結体中に設けた誘導電流回
路と配線との接続は、ろう付け、レーザー、超音波等に
より可能である。又、銅、タングステン、白金等の金属
配線の表面をセラミックコーティングすることにより、
配線自身に耐熱性を持たせることが出来る。

【００５６】次に、具体的応用例について、更に詳しく
図面に基づいて説明する。

【００５７】［実施例１］図３は、原子力プラントシス
テムの中の核融合炉第１壁構造部品の寿命監視用電圧測
定回路を示し、（Ａ）は電圧測定回路の原理図、（Ｂ）
は（Ａ）の I−I線断面図である。原子力プラントシス
テム１８の中の核融合炉第１壁を構成するセラミックス
構造部品であるセラミックマトリックス１の原料とし
て、平均粒径１μｍのＳｉＣ粉末１００重量部、Ｂ₄Ｃ
粉末３重量部に、ポリエチレンとステアリン酸と合成ワ
ックスの混合物を１３重量部添加、混練し原料とした。
この原料を押出し成形機を用いて厚さ２ｍｍ、１００ｍ
ｍ角の板を作製した。この板上にカーボン繊維(直径１
０μｍ、長さ１０００μｍ)(束直径５ｍｍ)を寿命診断
用電圧測定用の導電回路３として、５ｍｍ間隔で並べ、
試験片を作製した。このように、誘導電流で生じる表皮
効果により高周波電流が到達する距離に合わせて誘導電
流発生用の導電回路を形成する必要がある。これによ
り、どこで亀裂が生じても電圧の変動により探査するこ
とが可能である。又、寿命診断用誘導電流発生用の導電
回路３の線径は取扱い上０.１ｍｍ以上ある方が好まし
い。尚、参照番号５は高周波電源、６は電圧変化測定器
である。

【００５８】上記成形体を、Ａｒ雰囲気の炉中で、昇温
速度５℃/ｍｉｎで２０５０℃まで加熱し、炉中で放冷
して寿命診断用電圧測定用の導電回路を有するＳｉＣセ
ラミックス焼結体を得た。尚、前記バインダ等の脱脂
は、昇温過程で行なわれる。そして、内部回路の端部に
銅配線を銀ろう付けし、外部の電源及び測定器に配線を
行い、原子力プラントシステム１８へ接続した。

【００５９】本セラミック構造部品を模擬プラズマ装置
により、核融合炉第１壁構造部品模擬テストに適用し
た。その結果、セラミック構造部品が中性子照射により
表面が破壊されると共に、図４に示す中性子照射時間と
電圧変化率との関係曲線２１のように、電圧の変化があ
らわれ、核融合炉第１壁構造部品としての寿命診断が可
能である。この電圧の変化を原子力プラントシステム１
８に送り、この変化が決められたしきい値４を超えたと
き、原子力プラントシステム１８を自動的に停止させ、
保守点検を行なう。

【００６０】図５は、核融合炉第１壁構造部品の寿命監
視用セラミックス焼結体の断面図である。この図に示す
ように、核融合炉第１壁構造部品１の表面に導電回路３
を配置することも可能である。誘導電流による電圧変化
の検出及び診断回路の抵抗率の変化の両方から寿命診断
が可能となる。

【００６１】本発明のセラミックス焼結体の成形は、ド
クターブレード、金型粉末成形、ＣＩＰ、射出成形、鋳
込み成形、押出し成形等各種部品形状に応じて可能で有
る。

【００６２】前記グリ−ンシ−ト等の成形用バインダ
は、ポリビニルブチラ−ルやポリエチレン等の高分子材
料、シリコ−ン系化合物やポリシラン系化合物等一般に
セラミックス成形用のバインダとして用いられているも
のを使用することが出来る。これらのバインダの脱脂方
法は特に限定しないが、焼結時の昇温速度を制御するこ
とによって脱脂することが出来る。

【００６３】本実施例の方法は、ＭＨＤ発電用絶縁壁に
も適用可能である。

【００６４】［実施例２］図６は、核融合炉第１壁構造
部品の他の寿命監視用電圧測定回路を示し、（Ａ）は電
圧測定回路の原理図、（Ｂ）は（Ａ）の II−II 線断面
図である。実施例２の新機能性セラミックス構造部品で
あるセラミックマトリックス１の原料として、平均粒径
０.１μｍのＡｌＮ粉末９７重量部と焼結助剤Ｙ₂Ｏ₃：
３重量部に、ポリエチレンとステアリン酸と合成ワック
スの混合物を１３重量部添加、混練し原料とした。この
原料を押出し成形機を用いて厚さ２ｍｍ、１００ｍｍ角
の板を作製した。この板上にカーボン繊維(直径１００
μｍ、長さ１０００μｍ)とＡｌ₂Ｏ₃繊維(直径１００μ
ｍ、長さ１０００μｍ)の複合長繊維(直径８ｍｍ)を寿
命診断用誘導電流発生用の導電回路３として５ｍｍ間隔
で、成形、形成した。回路に用いたカーボン繊維とＡｌ
₂Ｏ₃繊維の配合比は７０：３０ｖｏｌ％である。

【００６５】上記成形体を、窒素雰囲気中で、昇温速度
１℃/ｍｉｎで１８００℃まで加熱し３時間保持後、炉
中で放冷して寿命診断用電圧測定回路を有する常圧焼結
ＡｌＮセラミックマトリックス１を得た。尚、前記バイ
ンダ等の脱脂は、昇温過程で行なわれる。得られた常圧
焼結ＡｌＮセラミックスの表層部には、耐中性子性をも
たせるためにプラズマ溶射によりＳｉＣの緻密なコーテ
ィング層８の膜０.５ｍｍを形成した。そして、内部回
路の端部に銅配線を銀ろう付けし、外部の測定器に配線
を行い、原子力プラントシステム１８へ接続した。

【００６６】本セラミック構造部品であるセラミックマ
トリックス１を模擬プラズマ装置の核融合炉第１壁構造
部品に適用した。寿命診断用誘導電流用の導電回路３を
第１壁構造部品の表面ＳｉＣ膜内側に設けた。寿命診断
回路を冷却されている基材まで伸ばし、銅線と接続を行
った。銅線と寿命診断回路との接続部の周りはＡｌ₂Ｏ₃
の保護管でカバーをした。

【００６７】その結果、セラミックマトリックス１が中
性子照射によりＳｉＣ膜が破壊されると共に、図４のよ
うな電圧の変化があらわれ、核融合炉第１壁構造部品と
しての寿命診断が可能である。この電圧の変化を原子力
プラントシステム１８に送り、この電圧が決められたし
きい値４（図４）を超えたとき原子力プラントシステム
１８を自動的に停止させ、保守点検を行なう。本実施例
に限らず、最表面の耐環境層が破壊された場合の非破壊
検出として極めて有効である。

【００６８】上記のＡｌＮ粉末の代わりにＳｉ₃Ｎ₄、Ｓ
ｉ₂Ｎ₂Ｏ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂、Ｂ₄Ｃ、ＢＮ、ムライト
粉末等を用いて同様に寿命診断用電圧測定回路を有する
新機能性セラミックス（Ｓｉ₃Ｎ₄、Ｓｉ₂Ｎ₂Ｏ、Ｓｉ
Ｃ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂、Ｂ₄Ｃ、ＢＮ、ムライト、Ｓｉ
₃Ｎ₄/ＳｉＣ複合材、Ａｌ₂Ｏ₃/ＺｒＯ₂複合材、ＳｉＣ/
Ａｌ₂Ｏ₃複合材、Ｓｉ₃Ｎ₄/ＺｒＯ₂複合材、Ｓｉ₃Ｎ₄/
Ａｌ₂Ｏ₃複合材、Ｓｉ₃Ｎ₄/ＢＮ複合材、ムライト/Ｓｉ
Ｃ複合材、ＺｒＯ₂/ＢＮ複合材）を常圧焼結法により作
製し、核融合炉第１壁構造部品に適用した。その結果、
図４と同様の結果が得られ、寿命診断が可能であること
が分かった。尚、図６中の参照番号５、６はそれぞれ高
周波電源、電圧変化測定器である。

【００６９】［実施例３］図７は、ガスタービン用静翼
部品の寿命監視用電圧測定回路を示し、（Ａ）は電圧測
定回路の原理図、（Ｂ）は（Ａ）の III−III 線断面図
である。火力プラントシステム１９の中のセラミック構
造部品であるセラミックマトリックス１のガスタービン
用動翼部品について検討を行なった。ガスタービン用動
翼部品を構成するセラミックマトリックス１の原料とし
て、平均粒径０.５μｍのＳｉ₃Ｎ₄粉末１００重量部、
Ｙ₂Ｏ₃５重量部、Ａｌ₂Ｏ₃５重量部に、ポリビニルブチ
ラ−ル6重量部、トリクロロエチレン２４重量部、テト
ラクロロエチレン３２重量部、ｎ-ブチルアルコ−ル４
４重量部、ブチルフタリルグリコ−ル酸ブチル２重量部
からなるバインダ１０８重量部を加え、ボ−ルミルで２
４時間混合し、スラリ−とする。

【００７０】このスラリ−を真空脱気して気泡を除去
し、次いで鋳込み成形法を用いてガスタービンの静翼形
状のゴム型内にスラリーを流し込み、１０時間乾燥し
て、成形体を作成した。尚、ゴム型内には所定のパタ−
ンにカーボン/ＳｉＣ複合ファイバ(直径３ｍｍ)を誘導
電流発生用の導電回路３として最表面層に形成してお
き、その周りにスラリーを流し込んだ。

【００７１】上記成形体を、窒素雰囲気の炉中で、昇温
速度５℃/ｍｉｎで１７５０℃まで加熱し、炉中で放冷
して表面近傍に寿命監視電圧測定用の導電回路を有する
Ｓｉ₃Ｎ₄セラミックス焼結体を得た。得られたセラミッ
クス焼結体の表層部には、表皮効果を持たせるために溶
射によりＳｉＣ／ＺｒＯ₂(８０/２０ｖｏｌ％)の緻密な
コーティング層８の膜１ｍｍを形成した。そして、寿命
診断回路をタービンディスクまで伸ばし、回路の端部に
タングステン配線をろう付けし、外部の測定器に配線を
行い、火力プラントシステム１９へ接続した。尚、参照
番号５、６は、それぞれ高周波電源、電圧変化測定器を
示す。尚、図７中の参照番号５、６はそれぞれ高周波電
源、電圧変化測定器である。

【００７２】図８は、ガスタービン運転時間と電圧変化
率との関係曲線図である。本機能性セラミック構造部品
であるセラミックマトリックス１をガスタービン用動翼
部品に適用した。曲線２２に示すような電圧の変化があ
らわれ、セラミックマトリックス１が破壊を起こす前
に、寿命診断が可能になった。この寿命診断によりセラ
ミックスの信頼性が大幅に向上した。この電圧の変化を
火力プラントシステム１９に送り、この電圧変化率が予
め決められたしきい値４（図８）を超えたとき火力プラ
ントシステム１９を自動的に停止させ、保守点検を行な
う。

【００７３】本発明において、セラミックスの表層部を
緻密化させるためのコーティング層８の膜は、ＳｉＣ、
ＢＮ、ＴｉＮ、ＺｒＯ₂、ダイヤモンド、ＺｒＢ₂等使用
環境、目的により任意な多層膜を設けることが出来る。

【００７４】［実施例４］火力プラントシステムの中の
ガスタービン用静翼部品について検討を行なった。ガス
タービン用静翼部品を構成するセラミックス構造部品の
原料として、平均粒径０.５μｍのＳｉＣ粉末９６重量
部、平均粒径０.２μｍのＢ₄Ｃ粉末４重量部に、ポリビ
ニルブチラ−ル６重量部、トリクロロエチレン２４重量
部、テトラクロロエチレン３２重量部、ｎ-ブチルアル
コ−ル４４重量部、ブチルフタリルグリコ−ル酸ブチル
２重量部からなるバインダ１０８重量部を加え、ボ−ル
ミルで２４時間混合し、スラリ−とする。

【００７５】このスラリ−を真空脱気して気泡を除去
し、次いで鋳込み成形法を用いてガスタービンの静翼形
状のゴム型内にスラリーを流し込み、実施例３と同様に
カーボン/ＳｉＣ複合ファイバ(直径３ｍｍ)を寿命診断
用の導電回路として形成しておき、その周りにスラリー
を流し込んだ。

【００７６】上記成形体を、アルゴン雰囲気の炉中で、
昇温速度５℃/ｍｉｎで２２５０℃まで加熱し、炉中で
放冷して寿命診断電圧測定用の導電回路を有するＳｉＣ
セラミックス焼結体を得た。得られたセラミックス焼結
体の表層部には、耐熱性を持たせるために溶射によりＺ
ｒＯ₂の緻密なコーティング層の膜５００μｍを形成し
た。そして、回路端部にタングステン配線をろう付け
し、外部の測定器に配線を行い、火力プラントシステム
へ接続した。

【００７７】本機能性セラミック構造部品をガスタービ
ン用静翼部品に適用した。その結果、セラミック構造部
品が破壊を起こす前に、先に示した図８の曲線２２に示
すように、電圧の変化があらわれ、寿命診断が可能であ
る。この診断によりセラミックス焼結体の信頼性が大幅
に向上した。この電圧の変化を火力プラントシステムに
送り、この抵抗値が決められたしきい値を超えたとき火
力プラントシステムを自動的に停止させ、保守点検を行
なうことが可能である。ブレードへの寿命診断用導電回
路の設置は、ブレード全体に設けなくても、最大応力が
発生する近傍に設けるだけでもよい。又、寿命診断用の
導電回路は表面又は表面近傍（表面から５ｍｍ以内）に
設ける必要が有る。何故なら、セラミック構造部品は、
表面から亀裂が入り線形破壊を生じるため、表面の亀裂
発生を敏感に検知する必要が有るためである。

【００７８】［実施例５］新機能性セラミックス構造部
品であるセラミックマトリックスの原料として、平均粒
径０.１μｍのＳｉ₃Ｎ₄粉末９５重量部と焼結助剤Ｙ₂Ｏ
₃：３重量部、ＡｌＮ：２重量部に、ポリビニルブチラ
−ル６重量部、トリクロロエチレン２４重量部、テトラ
クロロエチレン３２重量部、ｎ-ブチルアルコ−ル４４
重量部、ブチルフタリルグリコ−ル酸ブチル２重量部か
らなるバインダ１０８重量部を加え、ボ−ルミルで２４
時間混合し、スラリ−とする。

【００７９】このスラリ−を真空脱気して気泡を除去
し、次いで鋳込み成形法を用いてガスタービンのシュラ
ウドセグメント形状のゴム型内にスラリーを流し込み、
１０時間乾燥して、成形体を作成した。尚、ゴム型内に
は所定のパタ−ンにＣ/Ａｌ₂Ｏ₃複合ファイバ束(直径５
ｍｍ)を寿命診断用誘導電流発生用の導電回路として形
成しておき、その周りにスラリーを流し込んだ。

【００８０】上記成形体を、窒素雰囲気の炉中で、昇温
速度５℃/ｍｉｎで１７５０℃まで加熱し、３時間保持
後、炉中で放冷して寿命診断用誘導電流発生用の導電回
路を有する常圧焼結Ｓｉ₃Ｎ₄セラミックス焼結体を得
た。得られた常圧焼結Ｓｉ₃Ｎ₄セラミックス焼結体の表
面には、耐熱性を持たせるために溶射によりＳｉＣの緻
密なコーティグ層の膜１０μｍを形成した。そして、寿
命診断回路をタービンケーシングの外部に伸ばし、その
端部に銅配線を銀ろう付けし、外部の測定器に配線を行
い、火力プラントシステムへ接続した。寿命診断回路と
銅配線はアルミナの保護管で絶縁を保った。

【００８１】本機能性セラミックス構造部品をガスター
ビン用シュラウド部品に適用した。その結果、セラミッ
クス構造部品が破壊を起こす前に、前出図８の曲線２２
のように、電圧の変化が生じ、寿命診断が可能である。
この診断によりセラミックス焼結体の信頼性が大幅に向
上した。

【００８２】更に、上記のＳｉ₃Ｎ₄粉末の代わりにＳｉ
Ｃ、Ｓｉ₂Ｎ₂Ｏ、ＡｌＮ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂、Ｂ₄Ｃ、
ＢＮ、ムライト粉末などを用いて同様に寿命診断用電圧
測定回路を有する機能融合構造用セラミックス（Ｓｉ₃
Ｎ₄、Ｓｉ₂Ｎ₂Ｏ、ＡｌＮ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂、Ｂ
₄Ｃ、ＢＮ、ムライト、Ｓｉ₃Ｎ₄/ＳｉＣ複合材、Ａｌ₂
Ｏ₃/ＺｒＯ₂複合材、ＳｉＣ/Ａｌ₂Ｏ₃複合材、Ｓｉ₃Ｎ₄
/ＺｒＯ₂複合材、Ｓｉ₃Ｎ₄/Ａｌ₂Ｏ₃複合材、Ｓｉ₃Ｎ₄/
ＢＮ複合材、ムライト/ＳｉＣ複合材、ＺｒＯ₂/ＢＮ複
合材）をＨＩＰ焼結法により作製し、ガスタービン用シ
ュラウド部品に適用した。その結果、図８の曲線２２と
同様の傾向の結果が得られ、寿命診断が可能であること
が分かり、ＨＩＰでも新機能性セラミックス構造部品の
製造が可能であることが分かった。本実施例は、ガスタ
ービンエンジン部品にも適用可能である。

【００８３】［実施例６］図９は、耐腐食配管用部品の
寿命監視用電圧測定回路を示す原理図である。

【００８４】新機能性セラミックス構造部品であるセラ
ミックマトリックス１の原料として、平均粒径０.１μ
ｍのＳｉＣ粉末９７重量部と焼結助剤Ｂ₄Ｃ：３重量
部、ＡｌＮ：２重量部に、ポリビニルブチラ−ル６重量
部、トリクロロエチレン２４重量部、テトラクロロエチ
レン３２重量部、ｎ−ブチルアルコ−ル４４重量部、ブ
チルフタリルグリコ−ル酸ブチル２重量部からなるバイ
ンダ１０８重量部を加え、ボ−ルミルで２４時間混合
し、スラリ−とする。

【００８５】このスラリ−を真空脱気して気泡を除去
し、次いで多孔質型(石膏)内にスラリーを流し込み、遠
心成形機を用いて厚さ１０ｍｍ、直径１５０ｍｍの配管
を作製した。尚、多孔質型表面には所定のパタ−ンにカ
ーボン９０ｖｏｌ％とＳｉＣ１０ｖｏｌ％複合ファイバ
(直径５ｍｍ)を寿命診断用電圧測定用の導電回路３とし
て形成しておき、その周りにスラリーを付着させた。成
形体中のワックス分を除去した後、Ａｒガス中、２１０
０℃で３時間加熱処理した。これにより配管内に寿命診
断用電圧測定用の導電回路３を設けることが出来た。

【００８６】本機能性セラミックス構造部品であるセラ
ミックマトリックス１を火力プラントの耐腐食用配管部
品に適用した。その結果、セラミックス構造部品が腐食
破壊を起こす前に、図１０の薬品(アルカリ、酸)腐食時
間と電圧変化率との関係曲線２３に示すように、電圧の
変化があらわれ、電圧変化率がしきい値４に達した時点
で保守、点検を行ない、寿命診断が可能である。この寿
命診断によりセラミックス焼結体の信頼性が大幅に向上
した。又、図１１の配管形状部品であるセラミックマト
リックス１の導電回路設置の実施例で示すように、配管
内径側に測定用導電回路３を設けることも可能である。

【００８７】上記のＳｉＣ粉末の代わりにＳｉ₃Ｎ₄、Ｓ
ｉ₂Ｎ₂Ｏ、ＡｌＮ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂、Ｂ₄Ｃ、ＢＮ、
ムライト粉末などを用いて同様に寿命診断用の導電回路
を有する新機能性セラミックス焼結体（Ｓｉ₃Ｎ₄、Ｓｉ
₂Ｎ₂Ｏ、ＡｌＮ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂、Ｂ₄Ｃ、ＢＮ、ム
ライト、Ｓｉ₃Ｎ₄/ＳｉＣ複合材、Ａｌ₂Ｏ₃/ＺｒＯ₂複
合材、ＳｉＣ/Ａｌ₂Ｏ₃複合材、Ｓｉ₃Ｎ₄/ＺｒＯ₂複合
材、Ｓｉ₃Ｎ₄/Ａｌ₂Ｏ₃複合材、Ｓｉ₃Ｎ₄/ＢＮ複合材、
ムライト/ＳｉＣ複合材、ＺｒＯ₂/ＢＮ複合材）を常圧
焼結法により作製し、耐腐食用配管部品に適用した。そ
の結果、前出図１０と同様の結果が得られ、寿命診断が
可能であることが分かった。

【００８８】上記の新機能性セラミックス構造部品を耐
薬品用配管に適用した。その結果、セラミックス構造部
品が薬品(アルカリ、酸）により腐食破壊を起こす前
に、前出図１０のように、電圧の変化があらわれ、寿命
診断が可能である。この診断によりセラミックス焼結体
の信頼性が大幅に向上した。

【００８９】配管のように円筒形状の部品に電圧測定回
路を設ける方法としては、型内に測定回路を予め配向さ
せておく方法、セラミックグリーンシートの面にカーボ
ンなどのファイバーと媒体からなる測定回路を設けて、
このグリーンシートを積層したのち、円筒上に成形し、
焼結する方法、セラミックグリーンシートの表面に導電
性の膜をコーティングし、このグリーンシートを積層し
たのち、円筒上に成形し、焼結する方法、など各種方法
により、内壁あるいは外壁の近傍に多数の測定回路を設
けることが出来る。

【００９０】本実施例６の方法は、ポンプ用ステータ、
ポンプ用ケーシング、粉・粒体輸送用パイプ、コックバ
ルブ、ノズル、バルブ、るつぼ等にも適用可能である。

【００９１】［実施例７］機能融合セラミックス構造部
品の原料として、平均粒径1μｍの金属Ｓi粉末100重量
部に、ポリエチレンとステアリン酸と合成ワックスの混
合物を１３重量部添加、混練し原料とした。この原料を
押出し成形機を用いて厚さ１０ｍｍ、１００ｍｍ角の板
を作製した。この板上にカーボン繊維(直径１０μｍ、
長さ１０００μｍ)とＡl₂Ｏ₃繊維(直径５μｍ、長さ１
０００μｍ)とＳiＣ繊維(直径１０μｍ、長さ１００μ
ｍ)の複合長繊維(直径５.５ｍｍ)を寿命診断用電圧測定
の導電回路として成形、形成した。寿命診断用の導電回
路に用いたカーボン繊維、Ａl₂Ｏ₃繊維、ＳiＣ繊維の配
合比は３０:５０:２０ｖｏｌ％である。

【００９２】上記成形体を、窒素雰囲気の炉中で、昇温
速度１℃/ｍinで１３５０℃まで加熱し、炉中で放冷し
て寿命診断用電圧測定の導電回路を有する反応焼結Ｓi₃
Ｎ₄セラミックス焼結体を得た。得られた反応焼結のセ
ラミックス焼結体の表層部には、耐熱性を持たせるため
にプラズマ溶射によりＳiＣ／ＺrＯ₂(８０/２０ｖｏｌ
％)の緻密なコーティング層の膜０.３ｍｍを形成した。
反応焼結材では、表層部が多孔質なため、その気孔中に
もＳiＣ／ＺrＯ₂が侵入し、接着強度の高い膜が得られ
る。そして、導電回路の端部に銅配線をろう付けし、外
部の測定器に配線を行った。

【００９３】本セラミックス構造部品をガスタービンの
燃焼器内張り部品に適用した。その結果、セラミックス
構造部品が燃焼試験によりＳiＣ／ＺrＯ₂膜に亀裂が生
じると共に電圧の変化があらわれ、燃焼器内張り部品と
しての寿命診断が可能である。

【００９４】上記の金属Ｓi粉末の代わりに金属Ａｌ粉
末を用いて同様に寿命診断用電圧測定回路を有する新機
能性ＡｌＮセラミックス焼結体を反応焼結法により作製
し、燃焼器内張り部品に適用した。その結果、同様の結
果が得られ、寿命診断が可能であることが分かった。

【００９５】又、上記のＳi粉末にＳi₃Ｎ₄、Ｓi₂Ｎ
₂Ｏ、ＡｌＮ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺrＯ₂、Ｂ₄Ｃ、ＢＮ、ムライ
ト等の粉末、ウイスカ等を混合して同様に寿命診断用電
圧測定の導電回路を有する新機能性複合セラミックス焼
結（Ｓi₃Ｎ₄/Ｓi₃Ｎ₄、Ｓi₃Ｎ₄/Ｓi₂Ｎ₂Ｏ、Ｓi₃Ｎ₄/Ａ
ｌＮ、Ｓi₃Ｎ₄/Ａｌ₂Ｏ₃、Ｓi₃Ｎ₄/ＺrＯ₂、Ｓi₃Ｎ₄/Ｂ
₄Ｃ、Ｓi₃Ｎ₄/ＢＮ、Ｓi₃Ｎ₄/ムライト、Ｓi₃Ｎ₄/ＳiＣ
等)を反応焼結法により作製し、燃焼器内張り部品に適
用した。その結果、同様の結果が得られ、寿命診断が可
能であることが分かった。

【００９６】本発明のセラミックスの成形は、ドクター
ブレード、金型粉末成形、ＣＩＰ、射出成形、鋳込み成
形、押出し成形等各種部品形状に応じて可能で有る。

【００９７】前記グリ−ンシ−ト等の成形用バインダ
は、ポリビニルブチラ−ルやポリエチレン等の高分子材
料、シリコ−ン系化合物やポリシラン系化合物等一般に
セラミックス成形用のバインダとして用いられているも
のを使用することが出来る。これらのバインダの脱脂方
法は特に限定しないが、焼結時の昇温速度を制御するこ
とによって脱脂することが出来る。

【００９８】ここで、電圧測定回路の形成方法として以
下の方法が考えられる。カーボン等のファイバーと媒体
からなるスラリーをインクジェット法によりセラミック
ス成形体表面に回路パターンを形成する方法、カーボン
等のファイバーと媒体からなるスラリーを印刷により回
路パターンを形成する方法、等各種の方法により可能で
ある。

【００９９】［実施例８］新機能性セラミックス構造部
品の原料として、ＺrＯ₂粉末:５０重量部とＳiＯ ₂粉末:
３０重量部、Ａｌ₂Ｏ₃粉末:２０重量部に、トリエタノ
ールアミン：１重量部、蒸留水:６５重量部添加、混合
し原料とした。この原料を鋳込み成形により金属溶湯用
タンディッシュ、鋳型注入口用耐火物、鋳型を作製し
た。成形の際に各部品内にＣ繊維束(直径１００μｍ、
長さ５０ｃｍ、１０００本)を用いて寿命診断用電圧測
定の導電回路として形成した。

【０１００】上記成形体を、酸化雰囲気中で、昇温速度
５℃/ｍinで１６５０℃まで加熱し２時間保持後、炉中
で放冷して寿命診断用電圧測定の導電回路を有するセラ
ミックス焼結体を得た。尚、前記バインダ等の脱脂は、
昇温過程で行なわれる。そして、寿命診断用の導電回路
の端部を銅配線を用いて外部の測定器に配線を行った。
又、寿命診断用の導電回路はＳiＣ保護管で絶縁を保持
した。

【０１０１】本セラミックス構造部品を連続鋳造設備に
適用した。試験の結果、セラミックス構造部品が老朽化
し、亀裂が入ると同時に電圧が変化し、その変化を検知
して部品寿命を運転者に知らせることが出来る。これに
より、連続鋳造設備の保守を効率良く行うことが出来
る。

【０１０２】上記のセラミックス粉末の代わりにＳi
Ｃ、Ｓi₂Ｎ₂Ｏ、ＡｌＮ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺrＯ₂、Ｂ₄Ｃ、Ｂ
Ｎ、ムライト粉末等を用いて同様に寿命診断用電圧測定
回路を有する新機能性セラミックス焼結体（Ｓi₃Ｎ₄、
Ｓi₂Ｎ₂Ｏ、ＡｌＮ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺrＯ₂、Ｂ₄Ｃ、ＢＮ、
ムライト、Ｓi₃Ｎ₄/ＳiＣ複合材、Ａｌ₂Ｏ₃/ＺrＯ₂複合
材、ＳiＣ/Ａｌ₂Ｏ₃複合材、Ｓi₃Ｎ₄/ＺrＯ₂複合材、Ｓ
i₃Ｎ₄/Ａｌ₂Ｏ₃複合材、Ｓi₃Ｎ₄/ＢＮ複合材、ムライト
/ＳiＣ複合材、ＺrＯ₂/ＢＮ複合材）を常圧焼結法によ
り作製し、連続鋳造設備部品に適用した。試験の結果、
同様の電圧の変化が現われ、寿命診断が可能であり、メ
ンテナンスが容易となった。

【０１０３】本発明によれば、セラミックス又はセラミ
ックス焼結体のセラミックス構造部品自身に寿命診断用
誘導電流発生用の導電回路を設け、実際の使用状態下に
おいて構造部品の寿命を判断し、保守を決定する寿命診
断方法により、セラミックス構造部品の信頼性が向上し
各種プラントの部品、エンジン等の構造部品等への適用
が容易に可能になる。

【０１０４】そして、セラミックス又はセラミックス焼
結体中に、１次元以上の配向を有する導電回路に誘導電
流を発生させ、セラミックス又はセラミックス焼結体表
面の亀裂、変形、温度、酸化等による電圧変化を測定す
ることにより、セラミックス又はセラミックス焼結体の
セラミックス構造部品の信頼性向上が図れるため、核融
合炉用第一壁、配管用耐摩耗壁、配管用耐腐食壁、配管
用耐薬品壁、ガスタービン動翼、ガスタービン静翼、ガ
スタービンノズル、ガスタービンシュラウド、燃焼器、
ダクト、熱交換器、軸受、自動車エンジン用ターボチャ
ージャロータ、金属溶湯用耐火材、金属溶湯用ラドル、
金属溶湯用タンディッシュ、メカニカルーシールリン
グ、ケミカルシールリング、プランジャ、サンドブラス
トノズル、溶接チップカバー、触媒担体等のセラミック
ス又はセラミックス焼結体の信頼性を著しく向上させる
ことが出来る。

【０１０５】以上この発明を上記の実施例について詳し
く説明したが、それを以ってこの発明をそれらの実施例
のみに限定するものではなく、この発明の精神を逸脱せ
ずして種々改変を加えて多種多様の変形をなし得ること
は云うまでもない。

【０１０６】

【発明の効果】本第１発明〜第４発明のセラミックス構
造部品の寿命予測方法によれば、実働しているセラミッ
クス構造部品の寿命予測が可能になり、信頼性の高いセ
ラミックス構造部品の寿命予測方法を提供することが出
来る。更に、セラミックス構造部品内に誘導電流を発生
させる導電回路を並べることにより、セラミックス構造
部品表面全体が検出可能となり、セラミックス構造部品
の寿命予測方法の信頼性が更に増す。そして、このセラ
ミックス構造部品の寿命予測方法は、複雑形状のセラミ
ックス構造部品にも適用が可能である。又、導電性セラ
ミックス、炭素、金属等を有する導電回路を設けること
により、一般的な導電回路の材質で表皮効果の大きい導
電回路を設けることが出来る。

【０１０７】本第５発明のセラミックス構造部品の保守
点検方法によれば、事前に破壊防止が可能になり、この
保守点検方法によりセラミックスの信頼性が大幅に向上
する。

【０１０８】本第６発明〜第９発明の各種プラントの寿
命診断方法によれば、各種プラントを構成する複数の構
造部品の少なくとも１つがセラミックス焼結体より成
り、このセラミックス焼結体の導電回路の電圧変化に基
づいてセラミックス焼結体の寿命を予測するので、プラ
ントの各部品全体に導電回路を設けなくても、最大応力
が発生する近傍や摩耗が生じる構造部品に設けるだけで
寿命を監視出来る。十分に構造部品の表面又は表面近傍
に表皮効果が生ずるので、表面に発生した亀裂による電
圧変動と設定されたしきい値の比較により保守が必要で
あると判断した時、設備を止め、構造部品の交換を行な
うことが出来る。

【０１０９】本第１０発明、第１１発明のセラミックス
構造部品によれば、このセラミックス焼結体に炭素、セ
ラミックス、金属、又は炭素繊維、セラミックス繊維、
金属繊維の少なくとも１つによって構成された導電回路
を設けたので、この導電回路で発生した表皮効果が十分
に発揮出来ると共に、この導電回路の炭素、セラミック
ス、金属、又は炭素繊維、セラミックス繊維、金属繊維
はセラミックス焼結体の強化材としての働きを有する。

【０１１０】本第１２発明のセラミックス構造部品によ
れば、本第１０発明又は第１１発明において、導電回路
は、この導電回路の外部回路に電気的に接続される端子
を有したので、本第１０発明又は第１１発明の効果に加
え、この導電回路の外部電源に電気的に接続することが
容易になる。

【０１１１】本第１３発明のセラミックス構造部品によ
れば、本第１０発明又は第１１発明において、導電回路
は、セラミックス焼結体の熱応力を緩和する十分な温度
に加熱可能な抵抗値を有したので、本第１０発明又は第
１１発明の効果に加え、セラミックス焼結体を十分加熱
して外部からの熱応力を緩和する機能を持たせることが
可能であり、特に、急激な熱応力が発生した場合の応力
緩和に極めて有効である。

【０１１２】本第１４発明のセラミックス構造部品によ
れば、本第１０発明又は第１１発明において、導電回路
の比誘電率は３０以上又は導電回路の透磁率は１以上で
あるので、本第１０発明又は第１１発明の効果に加え、
セラミックス焼結体の十分な表皮効果をもたらすことが
出来る。

【０１１３】本第１５発明のセラミックス構造部品によ
れば、本第１０発明又は第１１発明において、セラミッ
クス焼結体は、酸化物、窒化物、炭化物、炭窒化物、酸
窒化物、硼化物、ケイ化物の少なくとも１つからなるの
で、本第１０発明又は第１１発明の効果に加え、セラミ
ックス焼結体は、成形体から焼結体への焼結時の寸法変
化率が１％以下と小さく、成形体中に配向した寿命測定
用の誘導電流発生用の導電回路が変形、切断することな
くセラミックス焼結体中に配向され、導電回路自身にも
残留応力が残っていない。更に、セラミックス焼結体は
多孔質のため、構造部品に使用する際には、必要とされ
る特性を満足する物質を表面、内部にコーティング、含
浸させることが可能になる。又、セラミックス焼結体の
表面を緻密質の耐摩耗材、耐熱材、耐腐食材等で構成す
ることが出来る。ＳｉＣの導電回路は、耐熱部品の表面
亀裂を検出するのに有効である。そして、複合化、粒子
分散強化をすることにより単体よりも剛性を高めること
が出来る。

【０１１４】第１６発明のセラミックス構造部品によれ
ば、導電回路は、Ｃ及び／又は、Ｓi、Ｔi、Ｚr、Ｃr、
Ｗ、Ｍｏの何れか１つからなる単体又は窒化物、炭化
物、炭窒化物、硼化物、ケイ化物の少なくとも１つから
なるものであるので、このセラミックス焼結体は、成形
体から焼結体への焼結時の寸法変化率が１％以下と小さ
く、これに設けられた導電回路が変形、切断することな
くセラミックス焼結体中に配向され、導電回路自身にも
残留応力が残らない。更に、セラミックス焼結体は多孔
質なので、構造部品に使用する際には、必要とされる特
性を満足する物質を表面、内部にコーティング、含浸す
ることが可能になる。更に、セラミックス焼結体の表面
を緻密質の耐摩耗材、耐熱材、耐腐食材等で構成するこ
とが出来る。そして、ＳｉＣの導電回路は、耐熱部品の
表面亀裂を検出するのに有効である。

【０１１５】本第１７発明のセラミックス構造部品の製
造方法によれば、焼結されたセラミック焼結体を強化し
たものを同時に容易に得ることが出来る。

【０１１６】本第１８発明のセラミックス構造部品の製
造方法によれば、金属粉末が反応性ガスと反応して生成
物を生成すると共に、この無機化合物やこの導電回路を
該生成物で結合することにより、気孔率が５〜３０ｖｏ
ｌ％の誘導電流発生用の導電回路が配向された反応焼結
のセラミックス焼結体が製造可能である。

【０１１７】本第１９発明のセラミックス構造部品の製
造方法によれば、焼結処理によって、その焼結温度に耐
えられないような誘導電流発生用の導電材料を導電回路
として設けることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】導電回路周囲に生ずる表皮効果を説明する断面
図である。

【図２】他の導電回路周囲に生ずる表皮効果を説明する
断面図である。

【図３】核融合炉第１壁部品の寿命監視用電圧測定回路
を示し、（Ａ）は電圧測定回路の原理図、（Ｂ）は
（Ａ）の I−I 線断面図である。

【図４】核融合炉第１壁部品の中性子照射時間と電圧変
化率との関係曲線図である。

【図５】核融合炉第１壁部品の寿命監視用セラミックス
焼結体の断面図である。

【図６】核融合炉第１壁部品の他の寿命監視用電圧測定
回路を示し、（Ａ）は電圧測定回路の原理図、（Ｂ）は
（Ａ）の II−II 線断面図である。

【図７】ガスタービン用静翼部品の寿命監視用電圧測定
回路を示し、（Ａ）は電圧測定回路の原理図、（Ｂ）は
（Ａ）の III−III 線断面図である。

【図８】ガスタービン運転時間と電圧変化率との関係曲
線図である。

【図９】耐腐食配管用部品の寿命監視用電圧測定回路を
示す原理図である。

【図１０】薬品(アルカリ、酸)腐食時間と電圧変化率と
の関係曲線図である。

【図１１】配管形状部品の導電回路設置の実施例を示す
断面図である。

【符号の説明】

１セラミックマトリックス（セラミックス構造部品）２試料３導電回路５高周波電源６電圧変化測定器８コーティグ層１０亀裂１２試料表面１４表皮効果１５表面層１７端子１８原子力プラントシステム１９火力プラントシステム２０化学プラントシステム

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミックス構造部品の表面又は表面近
傍に導電回路を設け、該導電回路に誘導電流を流し、そ
の電圧変化に基づいて前記セラミックス構造部品の寿命
を予測することを特徴とするセラミックス構造部品の寿
命予測方法。
【請求項２】セラミックス構造部品の表面又は表面近
傍に導電性セラミックスを有する導電回路を設け、該導
電回路に誘導電流を流し、その電圧変化に基づいて前記
セラミックス構造部品の寿命を予測することを特徴とす
るセラミックス構造部品の寿命予測方法。
【請求項３】セラミックス構造部品の表面又は表面近
傍に炭素を有する導電回路を設け、該導電回路に誘導電
流を流し、その電圧変化に基づいて前記セラミックス構
造部品の寿命を予測することを特徴とするセラミックス
構造部品の寿命予測方法。
【請求項４】セラミックス構造部品の表面又は表面近
傍に金属を有する導電回路を設け、該導電回路に誘導電
流を流し、その電圧変化に基づいて前記セラミックス構
造部品の寿命を予測することを特徴とするセラミックス
構造部品の寿命予測方法。
【請求項５】セラミックス構造部品の表面又は表面近
傍に導電回路を設け、該導電回路に誘導電流を流し、そ
の電圧変化を測定し、該電圧変化の変化量と予め求めら
れた前記セラミックス構造部品の寿命を示す電圧変化量
で表わされるしきい値とを比較し、前記電圧変化の変化
量が前記しきい値に達した時点で前記セラミックス構造
部品の保守、点検を行なうことを特徴とするセラミック
ス構造部品の保守点検方法。
【請求項６】燃焼ガスによってタービンを回転させる
ガスタービンにおいて、該ガスタービンを構成する複数
の構造部品の少なくとも１つがセラミックス焼結体より
成り、該セラミックス焼結体の表面又は表面近傍に導電
回路を設け、該導電回路に誘導電流を流し、その電圧変
化に基づいて前記セラミックス焼結体の寿命を監視する
ことを特徴とするガスタービンの寿命診断方法。
【請求項７】原子核分裂によって発生したエネルギー
を利用する原子力プラントにおいて、該原子力プラント
を構成する複数の構造部品の少なくとも１つがセラミッ
クス焼結体よりなり、該セラミックス焼結体の表面又は
表面近傍に導電回路を設け、該導電回路に誘導電流を流
し、その電圧変化に基づいて前記セラミックス焼結体の
寿命を監視することを特徴とする原子力プラントの寿命
診断方法。
【請求項８】原子核融合によってエネルギーを発生す
る核融合プラントにおいて、該核融合プラントを構成す
る複数の構造部品の少なくとも１つのプラズマに対向す
る側にセラミックス焼結体を設け、該セラミックス焼結
体の表面又は表面近傍に導電回路を設け、該導電回路に
誘導電流を流し、その電圧変化に基づいて前記セラミッ
クス焼結体の寿命を監視することを特徴とする核融合プ
ラントの寿命診断方法。
【請求項９】高温ガスプラズマが磁場を横切って高速
で流れることによって電気エネルギーを発生する電磁流
体発電プラントにおいて、該電磁流体発電プラントを構
成する高温ガス排気ダクト内壁がセラミックス焼結体よ
りなり、該セラミックス焼結体の表面又は表面近傍に導
電回路を設け、該導電回路に誘導電流を流し、その電圧
変化に基づいて前記セラミックス焼結体の寿命を監視す
ることを特徴とする電磁流体発電プラントの寿命診断方
法。
【請求項１０】セラミックス焼結体を有するセラミッ
クス構造部品において、該セラミックス焼結体の表面又
は表面近傍に炭素、セラミックス、金属の少なくとも１
つによって構成された誘導電流発生用の導電回路を設け
たことを特徴とするセラミックス構造部品。
【請求項１１】セラミックス焼結体を有するセラミッ
クス構造部品において、該セラミックス焼結体の表面又
は表面近傍に炭素繊維、セラミックス繊維、金属繊維の
少なくとも１つによって構成された誘導電流発生用の導
電回路を設けたことを特徴とするセラミックス構造部
品。
【請求項１２】請求項１０又は１１において、前記導
電回路は、該導電回路の外部回路に電気的に接続される
端子を有したことを特徴とするセラミックス構造部品。
【請求項１３】請求項１０又は１１において、前記導
電回路は、前記セラミックス焼結体の熱応力を緩和する
十分な温度に加熱可能な抵抗値を有したことを特徴とす
るセラミックス構造部品。
【請求項１４】請求項１０又は１１において、前記導
電回路の比誘電率は３０以上又は前記導電回路の透磁率
は１以上であることを特徴とするセラミックス構造部
品。
【請求項１５】請求項１０又は１１において、前記セ
ラミックス焼結体は、酸化物、窒化物、炭化物、炭窒化
物、酸窒化物、硼化物、ケイ化物の少なくとも１つから
なるものであることを特徴とするセラミックス構造部
品。
【請求項１６】セラミックス焼結体を有するセラミッ
クス構造部品において、該セラミックス焼結体の表面又
は表面近傍に導電回路を設け、該導電回路は、Ｃ及び／
又は、Ｓi、Ｔi、Ｚr、Ｃr、Ｗ、Ｍｏの何れか１つから
なる単体又は窒化物、炭化物、炭窒化物、硼化物、ケイ
化物の少なくとも１つからなるものであることを特徴と
するセラミックス構造部品。
【請求項１７】セラミックス粉末を有する成形体の表
面又は表面近傍に炭素繊維及び／又は導電性セラミック
スよりなる誘導電流発生用の導電回路の形成用組成物を
設け、前記成形体及び前記形成用組成物を同時に焼結す
ることを特徴とするセラミックス構造部品の製造方法。
【請求項１８】金属粉末を有する成形体の表面又は表
面近傍に炭素繊維及び／又は導電性セラミックスよりな
る誘導電流発生用の導電回路の形成用組成物を設け、前
記成形体及び前記形成用組成物を同時に窒化性、炭化
性、炭窒化性ガス雰囲気で焼結することを特徴とするセ
ラミックス構造部品の製造方法。
【請求項１９】焼結後のセラミックス焼結体の表面又
は表面近傍に炭素繊維及び／又は導電性セラミックスよ
りなる誘導電流発生用の導電回路を設けたことを特徴と
するセラミックス構造部品の製造方法。