Numerical simulation on melt infiltration process for ceramic matrix composites

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本研究ではセラミックス系複合材料の製造プロセスの一つである溶融含浸法を応用し、既存の複合材料の耐熱性能と高温での力学特性を向上させることを目的として実施している。溶融含浸法は多孔質プリフォーム中に溶融金属(または合金)を含浸し、反応させることによってマトリックスを得る方法である。溶融金属の含浸とプリフォーム中の炭素源と合金界面での反応が同時に生じるマルチフィジックス現象として取り扱う必要がある。本研究では(1)反応を考慮した溶融金属の含浸シミュレーションによって最適なプロセス条件を導き出すこと、(2)溶融合金を熱力学データベースを利用し設計し、耐熱性能に優れたマトリックスを形成させること、(3)得られた複合材料の高温での力学特性を確認し、既存の材料に比べて優れた特性を有するか検証すること、以上3点について検討している。本年度は、(1)及び(2)を実施し、反応によって生じる界面での固相形成を考慮した流体シミュレーションを実施し、固相が形成されることによって生じるチョーキング現象を再現できることを確認した。また、モデル実験とシミュレーションから、含浸変位(金属がどのくらい含浸したかを示す指標)を調べ比較したところ、良い一致を示すことを確認した。(2)においては、既存の複合材料で利用されているSiを基本とし、3元系状態図から高い耐熱性能を有する合金を選定し試作した。SiC繊維プリフォームに溶融含浸したところ気孔率にして~5%以下の比較的緻密な材料を得ることができた。