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Fabrication of Ultra-high Specific Strength Ceramic-Matrix Composites by Combination of Three-Dimensional Modeling and Numerical Analysis

三维建模与数值分析相结合制备超高比强度陶瓷基复合材料

基本信息

批准号：
22J20100
负责人：
菅野晃歓
金额：
$ 0.58万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-22 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では，セラミックス三次元造形法の１つである直接インク書込み法を用いた複雑形状を有する炭化ケイ素（SiC）連続繊維強化SiC基（SiC/SiC）複合材料の製造技術創出を第一優先課題とする．令和４年度では，SiC/SiC複合材料の三次元造形に及ぼす連続繊維およびインク条件の影響を評価した．また，年度途中にSiC粉末の出荷停止が相次いで入手困難な状態に陥ったため，密度傾斜セラミックス作製におけるプロセス上の課題すなわち層間の焼結収縮率差に起因する割れの評価をアルミナ粉末を用いて実施した．以下に得られた結果の要約を示す．（１）樹脂の強化材として注目されてきたセルロースナノファイバー（CNF）は，造形インクの乾燥体であるグリーン体の強度を向上させ，脆く低強度であったグリーン体のハンドリング性を改善した．一方で，CNFは，造形インクの定性的な流動特性とSiC焼結体の材料特性には影響を及ぼさないため，直接インク書込み法に適した添加剤であることが明らかとなった．（２）SiC/SiC複合材料の三次元造形において，SiC繊維とスラリーの乾燥収縮率の差に起因する乾燥割れの抑制に対するCNFの効果は確認されなかった．これにより，高品質なSiC/SiC複合材料三次元造形体の作製には，グリーン体強度以外のプロセスパラメータの改善が必要であることが示唆された．（３）異種材料積層板の残留熱応力に関する理論の拡張により，残留収縮応力の推定式が得られた．ある層の推定された残留応力がその層の強度を超えた場合，その層内にき裂が生じることが密度傾斜積層板を用いた実験で確認された．これにより，積層内にき裂の生じない密度傾斜設計方針が確立された．

This study is aimed at creating a first priority task for the manufacturing process of SiC/SiC composites by using the direct three-dimensional modeling method. In 2004 and 2005, the three-dimensional modeling of SiC/SiC composites and the influence of the dimensional conditions on the properties of SiC/SiC composites were evaluated. In the middle of the year, SiC powder charge stop phase, difficult to start state, density gradient, sintering shrinkage ratio difference between layers, cause of separation, evaluation and application of SiC powder. The following results are shown. (1) The strength of the resin reinforcement material is increased, and the strength of the resin dry body is improved. On the one hand, CNF has a qualitative influence on the flow characteristics of SiC sintered bodies and on the material characteristics of SiC sintered bodies. (2) SiC/SiC composites in three-dimensional shape, SiC fiber growth rate difference caused by the inhibition of CNF results confirmed. Therefore, it is necessary to improve the quality of SiC/SiC composites in addition to their bulk strength. (3) The theoretical relationship between residual thermal stress and residual thermal stress of heterogeneous laminates is derived. The residual stress of the layer is estimated. The strength of the layer is determined by the density of the layer. The density gradient design policy was established.