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Development of refractory high-entropy ceramic matrix composites by incorporating information science into the materials process

Research Project

Project/Area Number 20K14613
Research Category

Grant-in-Aid for Early-Career Scientists

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Basic Section 18010:Mechanics of materials and materials-related
Research InstitutionTokyo University of Science

Principal Investigator

Arai Yutaro  東京理科大学, 先進工学部マテリアル創成工学科, 助教 (70844439)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2022-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Keywordsハイエントロピーセラミックス / セラミックス基複合材料 / 耐熱材料 / セラミックス複合材料 / 計算熱力学 / 溶融含浸 / 耐熱複合材料 / 熱力学データベース
Outline of Research at the Start

2000℃酸化雰囲気で使用できる新規構造材料として材料組織を複雑にすることで熱力学的に化学反応を抑制する機構を備えた炭素繊維強化耐熱ハイエントロピーセラミックス複合材料(C/RHECs)を作製する。C/RHECsは複数種の元素から構成される複雑な組成を有するため、熱力学と情報科学の融合である熱力学計算を積極的に取り入れた材料設計の指針及び評価手法を提案する。

Outline of Final Research Achievements

Carbon fiber contained refractory high entropy ceramic matrix composites (hereafter denoted as C/RHECs) were successfully fabricated by alloy melt infiltration method. Compositions of alloys used for melt infiltration was designed by using thermodynamic calculation (calculation phase diagram). Arc-wind tunnel test was conducted to expose C/RHECs at 2000oC in oxidizing atmosphere and revealed that the surface of C/RHECs was covered by oxides with the complex composition and oxides probably acted as a barrier for oxygen diffusion. Since oxidation rate, which was defined as the ration of thickness of oxides and exposure time, was suppressed compared to that for conventional materials. The concept proposed in this study was proven correct and it will be a design guideline for the development of advanced heat resistant materials.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

従来耐熱材料の開発は高融点材料の探索と酸化する環境で材料自身の初期の参加により被膜を形成する材料を組み合わせることが多用されてきた。これらは試行錯誤の連続であり,1つの材料を生み出すために無数の実験を繰り返す必要があった。本提案では熱力学計算による材料設計を取り入れた材料プロセスにより2000℃酸化雰囲気で使用可能な材料を創成した。情報科学を材料プロセスに取り入れたことで必要な実験量が激減し,2年という短期間で材料プロセスの確立と目的の材料の実現の双方が可能となった。これは時間と資源の大幅な削減であり,持続可能な次世代材料創成プロセスとして応用可能な成果である。

Report

(3 results)
  • 2021 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2020 Research-status Report
  • Research Products

    (8 results)

All 2022 2021 2020

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results) Presentation (7 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results)

  • [Journal Article] Hot-corrosion of refractory high-entropy ceramic matrix composites synthesized by alloy melt-infiltration2021

    • Author(s)
      Arai Y.、Saito M.、Samizo A.、Inoue R.、Nishio K.、Kogo Y.
    • Journal Title

      Ceramics International

      Volume: 47 Issue: 22 Pages: 31740-31748

    • DOI

      10.1016/j.ceramint.2021.08.055

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Material design for TiZrHfNbTaBx: High entropy alloys to ceramics2022

    • Author(s)
      Yutaro Arai, Manami Saito, Yasuo Kogo
    • Organizer
      2022 MRS Spring Meeting & Exhibit
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] TiZrHfNbTaBxハイエントロピー材料の組織と力学特性・酸化挙動の関係2021

    • Author(s)
      齊藤愛実, 新井優太郎, 向後保雄
    • Organizer
      日本機械学会第 29 回機械材料・材料加工技術講演会(M&P2021)
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 計算熱力学を用いた炭化物系耐熱ハイエントロピーセラミックス複合材料の作製と熱曝露挙動評価2021

    • Author(s)
      新井優太郎, 齊藤愛実, 向後保雄
    • Organizer
      日本機械学会第 29 回機械材料・材料加工技術講演会(M&P2021)
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] ハイエントロピーセラミックス複合材料の作製及び酸化挙動評価2021

    • Author(s)
      新井 優太郎, 齊藤 愛実, 向後 保雄
    • Organizer
      日本セラミックス協会 第34回秋季シンポジウム
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Refractory high-entropy ceramic matrix composites: Synthesis and their hot corrosion2021

    • Author(s)
      Yutaro Arai, Manami Saito, Yasuo Kogo
    • Organizer
      The Twelfth International Conference on the Science and Technology for Advanced Ceramics (STAC12)
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ハイエントロピーセラミックスの力学特性及び酸化挙動2020

    • Author(s)
      齊藤 愛実, 新井 優太郎,向後 保雄
    • Organizer
      日本機械学会2020年度年次大会
    • Related Report
      2020 Research-status Report
  • [Presentation] 溶融含浸法を用いたハイエントロピーセラミックス複合材料の創生2020

    • Author(s)
      新井優太郎, 齊藤愛実, 向後保雄
    • Organizer
      機械材料・材料加工部門 第28回機械材料・材料加工技術講演会(M&P2020)
    • Related Report
      2020 Research-status Report

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Published: 2020-04-28   Modified: 2025-01-30  

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