Processing and evaluation of SiC-fiber-reinforced TiSi2 matrix composite

• Project/Area Number: 17H03485
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Aerospace engineering
• Research Institution: Japan Aerospace EXploration Agency
• Principal Investigator: Aoki Takuya 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 航空技術部門, 主任研究開発員 (40358635)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 吉田 克己 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 准教授 (20337710) ; 小笠原 俊夫 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (20344244) ; 久保田 勇希 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 航空技術部門, 宇宙航空プロジェクト研究員 (30737044)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥15,600,000 (Direct Cost: ¥12,000,000、Indirect Cost: ¥3,600,000); Fiscal Year 2020: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2019: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2018: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2017: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
• Keywords: 長繊維強化セラミックス基複合材料 / シリサイド / 溶融含浸 / 構造・機能材料

Outline of Final Research Achievements

This study developed the processing of SiC-fiber-reinforced and carbon-fiber-reinforced silicide matrix composites by melt infiltration technique. Mechanical properties of the prepared composites were evaluated from room temperature to elevated temperatures. The SiC-fiber-reinforced CoSi matrix composite maintained its original stiffness at 1400°C in the bending test although the maximum stress decreased slightly. The carbon-fiber-reinforced Si-V-Cr matrix composite showed higher bending strength and smaller stiffness reduction during loading at 1500°C as compared to their original values.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

航空機ターボファンエンジンでは、タービン部に多数の翼部品とシュラウドが使用されているが、これらの高温部品を軽量化できれば、エンジンの飛躍的な重量減と燃料消費率の改善が実現できる。各国のエンジンメーカは、従来のニッケル合金（密度8 g/cm3）に代えて、軽量（密度2～3 g/cm3）で高耐熱なSiC繊維強化SiC基複合材料をエンジン高温部品に適用する研究開発に凌ぎを削っている。
本研究では、従来よりも高耐熱となるSiC繊維強化複合材料を低コストで製造する技術創出を目的として、シリサイドを繊維織物に溶融含浸する手法を開発し、試作複合材料が優れた高温力学特性を示すことを検証した。

Research Products

• [Journal Article] Micromechanical model of time-dependent damage and deformation behavior for an orthogonal 3D-woven SiC/SiC composite at elevated temperature in vacuum (2020)
  • Author(s): Ikarashi Yoshito、Ogasawara Toshio、Aoki Takuya
  • Journal Title: Journal of the European Ceramic Society Volume: 40 Issue: 12 Pages: 3887-3896
  • DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2020.04.029
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] High temperature bending behavior of polycrystalline Si and SiC particle-reinforced Si matrix composites (2019)
  • Author(s): Tsunoura Toru、Yoshida Katsumi、Yano Toyohiko、Aoki Takuya、Ogasawara Toshio
  • Journal Title: Materials Today: Proceedings Volume: 16 Pages: 78-87
  • DOI: 10.1016/j.matpr.2019.05.303
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Fabrication and bending behavior of amorphous SiC-fiber-reinforced Si-Co eutectic alloy composites at elevated temperatures (2019)
  • Author(s): Tsunoura Toru、Yoshida Katsumi、Yano Toyohiko、Aoki Takuya、Ogasawara Toshio
  • Journal Title: Composites Part B: Engineering Volume: 164 Pages: 769-777
  • DOI: 10.1016/j.compositesb.2019.01.103
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Oxidation mechanisms of SiC‐fiber reinforced Si eutectic alloy matrix composites at elevated temperatures (2019)
  • Author(s): Tsunoura Toru、Yoshida Katsumi、Yano Toyohiko、Aoki Takuya、Ogasawara Toshio
  • Journal Title: Journal of the American Ceramic Society Volume: 印刷中 Issue: 10 Pages: 6309-6321
  • DOI: 10.1111/jace.16487
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effects of cyclic tensile loading on the rupture behavior of orthogonal 3-D woven SiC fiber/SiC matrix composites at elevated temperatures in air (2019)
  • Author(s): Ikarashi Yoshito、Ogasawara Toshio、Aoki Takuya
  • Journal Title: Journal of the European Ceramic Society Volume: 39 Issue: 4 Pages: 806-812
  • DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2018.10.016
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Oxidation behavior of monolithic HfSi₂ and SiC fiber-reinforced composites fabricated by melt infiltration using Si–8.5 at%Hf alloy at 800–1200°C in dry air (2018)
  • Author(s): Toru TSUNOURA, Yosuke OKUBO, Katsumi YOSHIDA, Toyohiko YANO, Takuya AOKI, Toshio OGASAWARA
  • Journal Title: Journal of the Ceramic Society of Japan Volume: 126 Issue: 1 Pages: 27-33
  • DOI: 10.2109/jcersj2.17136
  • NAID: 130006301612
  • ISSN: 1348-6535, 1882-0743
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Si-V-Cr合金を用いた溶融含浸法によるCMCの作製と曲げ挙動 (2021)
  • Author(s): 澤開 貴也、吉井 翔太朗、青木 卓哉、小笠原 俊夫、荻原 慎二
  • Organizer: 第12回日本複合材料会議（JCCM-12）
• [Presentation] 溶融含浸法を用いたSiC粒子分散Si-22at%Co複合材料の作製と機械的特性の評価 (2021)
  • Author(s): 吉井 翔太朗、澤開 貴也、青木 卓哉、小笠原 俊夫、荻原 慎二
  • Organizer: 第12回日本複合材料会議（JCCM-12）
• [Presentation] Si-V-Cr合金を用いた溶融含浸法によるCMCの作製と曲げ挙動 (2021)
  • Author(s): 澤開 貴也、吉井 翔太朗、青木 卓哉、小笠原 俊夫、荻原 慎二
  • Organizer: 日本セラミックス協会2021年年会
• [Presentation] 溶融含浸法を用いたSiC粒子分散Si-22at%Co複合材料の作製と機械的特性の評価 (2021)
  • Author(s): 吉井 翔太朗、澤開 貴也、青木 卓哉、小笠原 俊夫、荻原 慎二
  • Organizer: 日本セラミックス協会2021年年会
• [Presentation] Effect of unloading on crack propagation behavior of an orthogonal 3-D woven SiC fiber/SiC matrix composite under tensile load at elevated temperature in air (2021)
  • Author(s): 五十嵐喜寅、小笠原俊夫、青木卓哉
  • Organizer: 45th International Conference and Expo on Advanced Ceramics and Composites
• [Presentation] Multi-scale modeling for damage evolution behavior of an orthogonal 3-D woven SiC fiber/SiC matrix composite under tensile loading (2021)
  • Author(s): 八須光司、五十嵐喜寅、小笠原俊夫、青木卓哉
  • Organizer: 45th International Conference and Expo on Advanced Ceramics and Composites
• [Presentation] 溶融含浸法（MI）によるCMC製造に関わる基礎研究 (2020)
  • Author(s): 青木卓哉
  • Organizer: 先進セラミックス第124委員会 第160回研究会大会、日本学術振興会
• [Presentation] SiC/SiC複合材料の耐酸化研究の現状と課題 (2020)
  • Author(s): 青木卓哉
  • Organizer: 日本金属学会2020年秋季大会、日本金属学会
  • Invited
• [Presentation] 切り欠きを有する直交三次元織物SiC繊維/SiC複合材料のき裂進展挙動 (2020)
  • Author(s): 高橋尚斗、五十嵐喜寅、八須光司、小笠原俊夫、青木卓哉
  • Organizer: 日本複合材料学会 第45回複合材料シンポジウム
• [Presentation] 高温大気中におけるSiC繊維/SiC複合材料のき裂進展挙動に及ぼす繰返し荷重の影響 (2020)
  • Author(s): 五十嵐喜寅、高橋尚斗、小笠原俊夫、青木卓哉
  • Organizer: 日本機械学会 第28回機械材料・材料加工技術講演会(M&P2020）
• [Presentation] 三次元織物SiC 繊維強化SiC 複合材料のマルチスケールでの損傷進展シミュレーション (2020)
  • Author(s): 八須光司、五十嵐喜寅、小笠原俊夫、青木卓哉
  • Organizer: 日本機械学会 第28回機械材料・材料加工技術講演会(M&P2020）
• [Presentation] SiCf/CoSi matrix composites fabricated by melt-infiltration processing (2019)
  • Author(s): Takuya Aoki, Toru Tsunoura, Katsumi Yoshida, Toshio Ogasawra
  • Organizer: 10th International Conference on High Temperature Ceramic Matrix Composites
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 直交三次元織物SiC繊維/SiC複合材料の高温における時間依存型の損傷累積・変形挙動のモデル化 (2019)
  • Author(s): 五十嵐 喜寅，小笠原 俊夫，青木 卓哉
  • Organizer: 第 44 回複合材料シンポジウム
• [Presentation] 高温大気中における三次元織物 SiC 繊維/SiC 複合材料の疲労破壊挙動 (2019)
  • Author(s): 五十嵐 喜寅，小笠原 俊夫，青木 卓哉
  • Organizer: 第 27 回機械材料・材料加工技術講演会（M&P2019）
• [Presentation] 溶融含浸法による一方向SiC繊維強化複合材料の引張試験片の作製 (2019)
  • Author(s): 津之浦 徹、吉田 克己、矢野 豊彦、羽 山 直輝、澤開 貴也、青木 卓哉、小笠原 俊夫
  • Organizer: 日本セラミックス協会 2019 年年会
• [Presentation] SiC繊維強化シリサイド基複合材料の高温までの力学特性 (2019)
  • Author(s): 青木卓哉、津之浦 徹、澤開貴也、羽山直輝、小笠原 俊夫
  • Organizer: JCCM10
• [Presentation] SiC粒子強化CoSi 複合材料の高温までの破壊靭性値評価 (2019)
  • Author(s): 澤開貴也、喜多村竜太、荻原慎二、津之浦徹、青木卓哉、羽山直輝、小笠原俊夫
  • Organizer: JCCM10
• [Presentation] SiCf/Eutectic silicon alloy matrix composites fabricated by melt-infiltration processing (2019)
  • Author(s): Takuya Aoki, Toru Tsunoura, Katsumi Yoshida, Toshio Ogasawara
  • Organizer: ICACC2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Oxidation behavior of HfSi2 with boron addition (2019)
  • Author(s): T. Tsunoura, K. Yoshida, T. Yano, T. Aoki, T. Ogasawara
  • Organizer: ICACC2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Fabrication of SiC/ternary silicon alloy matrix composites by melt infiltration method (2019)
  • Author(s): N. Hayama, S. Ogihara, Kitamura, T. Tsunoura, T. Aoki, T. Ogasawara
  • Organizer: ICACC2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Fabrication of SiC/silicides composites by melt infiltration method (2019)
  • Author(s): T. Tsunoura, N. Hayama, K. Yoshida, T. Yano, T. Aoki, T. Ogasawara
  • Organizer: ICACC2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effect of microcrack propagation on the creep deformation behavior of an orthogonal 3-D woven SiC fiber/SiC matrix composite under tensile loading at elevated temperatures (2019)
  • Author(s): Y. Ikarashi, T. Aoki, Y. Asakura, T. Ogasawara
  • Organizer: ICACC2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] SiC繊維強化SiC複合材料のクリープ変形挙動に及ぼす微視的損傷の影響 (2018)
  • Author(s): 五十嵐 喜寅，小笠原 俊夫，青木 卓哉
  • Organizer: 第26回機械材料・材料加工技術講演会(M&P2018)
• [Presentation] B4C添加HfSi2の水蒸気酸化挙動 (2018)
  • Author(s): 津之浦 徹、吉田 克己、矢野 豊彦、青木 卓哉、小笠原 俊夫
  • Organizer: 日本セラミックス協会 第31 回秋季シンポジウム
• [Presentation] 高温中におけるSiC繊維強化SiC複合材料のクリープ変形挙動 (2018)
  • Author(s): 五十嵐 喜寅、小笠原 俊夫、青木 卓哉
  • Organizer: 2018 年度日本機械学会年次大会
• [Presentation] 溶融含浸法によるシリサイドマトリックスの形成 (2018)
  • Author(s): 津之浦 徹、吉田克己、矢野豊彦、羽山直輝、渡辺健太、青木卓哉、笠原新太、小笠原俊夫
  • Organizer: 日本セラミックス協会2018年年会
• [Presentation] Si-Cr-V合金を用いた溶融含浸法による1500℃超級炭化ケイ素複合材料の作製 (2018)
  • Author(s): 渡辺健太、森野美樹、津之浦徹、青木卓哉、小笠原俊夫
  • Organizer: 日本セラミックス協会2018年年会
• [Presentation] SiC粒子分散CoSiマトリックス複合材料の高温曲げ挙動 (2018)
  • Author(s): 羽山直輝、荻原慎二、喜多村竜太、津之浦 徹、青木卓哉、小笠原俊夫
  • Organizer: 日本セラミックス協会2018年年会