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

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．

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．