高温材料とクリープ
遮熱コーティングのトップコート(厚さ250 µm、熱伝導率1.2 W/(m·K))を、1.0 MW/m²の熱流束が厚さ方向に一様に通っている。定常状態の1次元の熱伝導として、トップコートの表と裏の温度差はどれに最も近いか。
- A約300 K
- B約21 K
- C約208 K
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正解：C. 約208 K
フーリエの法則 q = kΔT/L から、ΔT = qL/k = (1.0×10⁶ × 250×10⁻⁶)/1.2 ≈ 208 Kです。厚さ0.25 mmほどの膜で約200 Kも金属の温度を下げられることが、遮熱コーティングの効果です。Ni基超合金のクリープ強度は温度に敏感なので、この温度差は寿命や許容されるガス温度を大きく左右します。約300 Kは熱伝導率で割る代わりに掛けた値、約21 Kは厚さを25 µmと1桁小さく換算した値です。熱伝導率が低いほど、また膜が厚いほど温度差は大きくなりますが、膜を厚くすると熱応力ではく離しやすくなるので、厚さには限りがあります。