| Project/Area Number |
21H01218
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 18010:Mechanics of materials and materials-related
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| Research Institution | Tokyo University of Science |
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Principal Investigator |
井上 遼 東京理科大学, 工学部機械工学科, 准教授 (60756295)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
青木 卓哉 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)
新井 優太郎 東京理科大学, 先進工学部マテリアル創成工学科, 助教 (70844439)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000)
Fiscal Year 2023: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Fiscal Year 2022: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000)
Fiscal Year 2021: ¥7,280,000 (Direct Cost: ¥5,600,000、Indirect Cost: ¥1,680,000)
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| Keywords | 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 / 溶融含浸 / SiC/SiC複合材料 / 毛細管現象 / 界面 / 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 / 高温強度 |
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| Outline of Research at the Start |
セラミックス繊維織物中に溶融金属を含浸させ複合材料のマトリックスを形成させる溶融含浸プロセスを高度化し、既存の複合材料の耐熱限界を打破することを目的に行う。熱力学データベースを用いて溶融金属と反応を予測し、1500℃以上の耐熱性能を有するマトリックスを設計・その場形成させる。含浸不良を防ぐべく、プロセスの肝である固/液界面での反応層の形成を考慮できる流体シミュレーション手法を確立する。溶融含浸時に生じる現象を定量的に理解するとともに、気孔率5%以下の複合材料を創製できるプロセス条件を導き出す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では航空機ジェットエンジン用の軽量複合材料であるSiC繊維強化SiC複合材料の製造プロセスをシミュレーションによって再現することを目的としている。SiC/SiCの製造プロセスの中でも本研究で取り扱うのは溶融含浸法と呼ばれる方法である。短時間で緻密なマトリックスを形成できる一方、製造条件の最適化が困難で、実験をせずとも最適化可能な手法が必要である。そこで、本研究の目的を合金と炭素の反応によって形成される固相が、溶融合金の多孔質媒体中への毛細管現象にどのように影響を及ぼすかを流体シミュレーションで学術的に説明することとする。また、それらの知見を生かし、既存材料を超える新たな材料を生み出すことを目指す。昨年は固/液界面での反応層を流体シミュレーションに組み込むことに成功したが、実験との乖離が著しかった。その要因を明らかにすべく、実験および解析の面からアプローチした。実験的には固/液界面での濡れ性を系統的に調べた。その結果、溶融含浸プロセスにおける含浸不良を引き起こす要因は溶融前のSiの揮発、界面で生じる濡れ性の変化にあることがわかった。それらの現象を解析的に調べるために、分子動力学によってシミュレーションを試みた結果、現象論的に説明をすることが可能になった。
これらの知見から、合金に用いる金属元素を検討し、計算熱力学を用いて仮想的に状態図を得た。合金の融点、反応によって生じる炭化物の性質を考慮しつつ、モデル材料に含浸を行った。この材料系においては、計算結果とよく一致する傾向を示すことができた。本年度はSiC繊維織物をプリフォームに用い溶融含浸し、高温での強度をはじめとする力学特性を取得していく予定である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
流体シミュレーションに反応を考慮すること、固/液界面での濡れ現象の分子動力学解析、合金の材料設計、モデル材料への含浸などは順調に進行しており問題はない。高温での力学特性評価において試験片作製に時間を要しているが、研究遂行上問題はない。
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| Strategy for Future Research Activity |
分子動力学から得た知見を流体シミュレーションにどのように取り入れるか、スケールの異なる現象をどのように取り入れるかがシミュレーション手法の完成に当たってブレークスルーすべき事柄である。これらは熱流体や計算機科学の専門家との連携によって残りの研究機関で実現する。
力学試験用の試験片作製のノウハウを蓄積できたため、本年度は目標とする高温での力学特性評価に重点をおく。これらは代表者の研究室、分担者、研究協力者と連携し行う。
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