気相成長法による炭化珪素繊維強化アルミナ複合材の高速製造

气相生长法高速生产碳化硅纤维增强氧化铝复合材料

基本信息

批准号：
06750793
负责人：
河瀬元明
金额：
$ 0.7万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
财政年份：
1994
资助国家：
日本
起止时间：
1994 至无数据
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、温度勾配化学気相浸透法(CVI法)による繊維素材強化複合材の高品位高速製造とその製造プロセスの解析を行うことを目的として、実験ならびに数学的モデリングと計算機シミュレーションを行った。実験では、市販の炭化珪素繊維でプリフォームを作製し、その空隙内でアルミナを形成することにより、炭化珪素繊維強化アルミナ複合材を作製した。アルミナ成膜反応の原料系として、アルミニウムトリイソプロポキシドと三塩化アルミニウム-二酸化炭素-水素系とを比較したところ、後者の反応系の方が、製品中に混入する炭素量が飛躍的に少ないことがわかった。また、後者の原料では、前者に比べて粉体が生成しにくく、高速化を容易に行える可能性があることが示された。さらに、温度勾配を付加してCVIを行えば、高い成膜速度でも、外表面近傍での細孔閉塞を抑制し、緻密な複合材を製造できることが確認できた。ただし、三塩化アルミニウムを原料とする場合には、水蒸気生成反応律速となるように原料組成等を設定する必要があることがわかった。数値シミュレーションでは、繊維質多孔体(プリフォームおよび複合材)を、従来の直交無限長繊維モデルに代えて、単位セル間に間隙をもたせた新しいモデルで表現したところ、CVIに伴う複合材内の温度分布変化を正確に計算できるようになった。その結果、数値シミュレーションにより、複合材の重量増加および空隙率変化の実験結果を非常に精密に再現することができた。数値シミュレーションによれば、水蒸気生成反応律速条件を満たしていれば、原料濃度を増加させても、外表面近傍での細孔閉塞は起こらず、プロセス所要時間を短縮できることが示された。このことは、実験的にも確認することができた。実験とシミュレーションの比較から、主要な反応経路が気相反応であることがわかったが、反応機構については、今後さらに詳細に検討する予定である。

在这项研究中，我们进行了实验、数学建模和计算机模拟，旨在利用温度梯度化学气相渗透（CVI 方法）高质量、高速地制造纤维增强复合材料并分析制造过程。在实验中，通过使用市售的碳化硅纤维制造预成型件并在预成型件的空隙中形成氧化铝来制造碳化硅纤维增强氧化铝复合材料。通过比较三异丙醇铝和三氯化铝-二氧化碳-氢气体系作为氧化铝成膜反应的原料体系，发现后者的反应体系中混入产物的碳明显较少。另外，表明后一种原料比前一种原料更不易产生粉末，并且可以容易地提高速度。此外，已证实，通过在添加温度梯度的情况下进行CVI，即使在高沉积速率下也可以抑制外表面附近的孔堵塞并生产致密的复合材料。然而，发现当使用三氯化铝作为原料时，需要设定原料组成等以使其成为蒸汽产生反应的速率限制。在数值模拟中，纤维多孔材料（预成型件和复合材料）使用晶胞之间有间隙的新模型来表达，而不是传统的正交无限长丝模型，现在可以精确计算温度分布的变化。因此，数值模拟能够高精度地再现复合材料的重量增加和孔隙率变化的实验结果。数值模拟表明，只要满足水蒸气生成反应的速率决定条件，即使提高原料浓度，外表面附近的孔隙也不会发生堵塞，并且可以缩短工艺时间。这也得到了实验的证实。实验和模拟的比较表明，主要反应途径是气相反应，但我们计划在未来更详细地研究反应机理。