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» 2021年08月06日 08時00分 公開

化学強化ガラスの破壊パターンを高精度に予測、AGCとJAMSTECが「世界初」の技術材料技術

AGCとJAMSTECは、スマートフォンのカバーガラスなどに用いられる化学強化ガラスが破損する際の破壊パターンを、数値解析手法を用いて詳細に再現することに世界で初めて成功したと発表した。

[朴尚洙,MONOist]

 AGCとJAMSTEC(海洋研究開発機構)は2021年8月4日、スマートフォンのカバーガラスなどに用いられる化学強化ガラスが破損する際の破壊パターンを、数値解析手法を用いて詳細に再現することに世界で初めて成功したと発表した。

化学強化ガラスの破壊パターンの数値解析結果 化学強化ガラスの破壊パターンの数値解析結果(クリックで拡大) 出典:AGC

 化学強化ガラスは、表面に大きな圧縮応力を与えるほど強度が上がるが、その反面、内部に引っ張り応力が形成されるため、傷が深く入ると多数の亀裂が生じ破損してしまう。このため、強度が高く割れにくい化学強化ガラスを製造するには、強化応力の大きさを適正にデザインすることが重要になる。

化学強化カバーガラスの応力状態 化学強化カバーガラスの応力状態(クリックで拡大) 出典:AGC

 一方、ガラスの破壊パターンは、亀裂が複雑に分岐する非常に複雑な現象であり、これまでのシミュレーション技術では再現することが難しかった。このため、より強度の高い化学強化ガラスの強化応力を最適化するには、落下試験や割れの解析、破壊起点観察など多くの実験による試行錯誤が必要不可欠だった。

 今回の両者の研究成果では、AGCの破壊観察技術とJAMSTECが土壌や地盤の破壊解析に応用してきた数値解析技術を組み合わせることで、強化応力の影響を考慮する新たな理論を組み込んだ「残留応力場の中での動的破壊進展解析手法」を開発した。化学強化ガラス中を伝搬する亀裂進展の過程をほぼ完全再現することに成功したのは「世界で初めての事例」(AGC)だという。

 実際に、強化ガラスの亀裂パターンについて、高速度カメラによる観察実験の結果と数値解析によるシミュレーション結果を比較したところ、強化ガラス内部に蓄えられた応力の大きさに応じて変化する亀裂進展パターンをよく再現できているとする。

強化ガラスの亀裂パターンの高速度カメラによる観察実験と数値解析によるシミュレーションの比較 強化ガラスの亀裂パターンの高速度カメラによる観察実験と数値解析によるシミュレーションの比較(クリックで拡大) 出典:AGC

 また、今回の数値解析シミュレーションは、マイクロ秒以下となるナノ秒スケールの時間分解能で亀裂伝搬中の応力波の様子を詳細に描き出すことを実現できている。

破壊進展途中の板厚中心部における応力波の数値解析結果(クリックで拡大) 出典:AGC

 なお、今回の研究成果は、論文誌の「Physical Review Letters」および「Physical Review E」に2021年8月4日付で掲載される予定である。

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