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

• 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
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22J20100/
• 关键词: 三次元造形; 炭化ケイ素; 傾斜機能材料; 力学特性; セラミック基複合材料

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．

在这项研究中，首要任务是使用直接墨水写作方法（三维陶瓷制造方法之一），为具有复杂形状的硅碳化物（SIC）连续纤维增强基于SIC/SIC）复合材料创建制造技术。在2022财年，评估了连续纤维和墨水条件对SIC/SIC复合材料的三维模型的影响。此外，由于年度的持续停顿，SIC粉末被停止了一个困难的状态，并且使用氧化铝粉评估了由密度颗粒的陶瓷生产过程中的过程挑战引起的裂纹。以下是获得的结果的摘要。 （1）吸引作为树脂增强的注意力的纤维素纳米纤维（CNF）提高了绿色体的强度，绿色体的强度是形状墨水的干燥体，并改善了绿色体的处理特性，绿色体脆性和低强度。另一方面，CNF对形状墨水的定性流量和SIC烧结的身体的材料特性没有影响，并且已显示为适合直接墨水写作方法的添加剂。 （2）在SIC/SIC复合材料的三维模型中，由于SIC纤维干燥的收缩率差异和浆液的差异，CNF对抑制干裂的作用没有影响。这表明制造高质量的SIC/SIC复合材料三维建模需要改善绿色体强度以外的过程参数。 （3）已扩展了层压材料中残留热应力的理论，以获得残留收缩应激的估计。使用密度级层压板的实验证实，当层的估计残余应力超过该层的强度时，裂纹发生在层中。这已经建立了密度梯度设计政策，不会引起堆栈中的裂缝。

项目成果

Room temperature enhancement of flexural strength in silicon carbide green body via the addition of cellulose nanofiber

• DOI: 10.1007/s00170-023-10805-7
• 发表时间: 2023-01
• 期刊: The International Journal of Advanced Manufacturing Technology
• 作者: Teruyoshi Kanno;H. Kurita;F. Narita

セルロースナノファイバー添加による炭化ケイ素グリーン体の室温強化

添加纤维素纳米纤维对碳化硅生坯进行室温强化

• 发表时间: 2022
• 作者: Kanno Teruyoshi;Kurita Hiroki;Narita Fumio;菅野晃歓
• 通讯作者: 菅野晃歓