Numerical simulation on melt infiltration process for ceramic matrix composites

陶瓷基复合材料熔渗过程的数值模拟

基本信息

批准号：
21H01218
负责人：
井上遼
金额：
$ 11.15万
依托单位：
Tokyo University of Science
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01218/
关键词：
マルチフィジックス溶融含浸法セラミックス基複合材料濡れ性反応 CMC CFD 熱力学データベースアーク溶解セラミックス複合材料マルチフィジックスシミュレーション力学特性流体シミュレーション溶融含浸高温強度

项目摘要

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。

这项研究使用了熔融浸渍法，这是陶瓷复合材料的制造过程之一，可以在高温下改善现有复合材料的耐热性和机械性能。熔体浸渍方法是一种通过将熔融金属（或合金）浸入多孔预形成并导致其反应的方法来获得基质的方法。有必要将其视为一种多物理现象，在这种现象中，熔融金属的浸渍和碳源和合金界面的反应同时存在。这项研究研究了三个点：（1）通过考虑反应的浸渍模拟来得出最佳的过程条件，（2）使用热力学数据库设计熔融合金，以极好的耐热性形成矩阵，（3）确认在高温下获得所获得的复合材料的机械性能与现有物质相比，是否具有优质的质量。今年，（1）和（2）考虑了在反应导致的界面上形成固相的形成，并确认可以复制由固体相的形成引起的窒息现象。此外，当我们检查并比较模型实验和模拟中的浸渍位移（指示金属浸渍了多少）时，我们确认它们表现出良好的一致性。在（2）中，从基于SI的三元系统相图中选择了具有高热耐药性的合金，该合金用于现有复合材料，并通过实验构建合金而产生。当SIC纤维预成型被熔化时，获得了孔隙率约为5％或以下的相对密集的材料。