2019 Fiscal Year Annual Research Report
SiCセラミックスラスタに高い靱性を付与するハイパー・コンパージド技術
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19H00799
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| Research Institution | Muroran Institute of Technology |
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Principal Investigator |
岸本 弘立 室蘭工業大学, 大学院工学研究科, 教授 (30397533)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中里 直史 室蘭工業大学, 大学院工学研究科, 助教 (70714864)
柴山 環樹 北海道大学, 工学研究院, 教授 (10241564)
芹澤 久 大阪大学, 接合科学研究所, 准教授 (20294134)
中田 大将 室蘭工業大学, 大学院工学研究科, 助教 (90571969)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | SiC/SiC複合材料 / スラスタ / 複合材料成型法 / 熱衝撃試験 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
疑似HIP法でのセグメントの製作方の検討では、まずはセグメントの分割数を暫定的に4として、垂直方向の加圧を必要とするフランジ部分を除き、フランジ取り付け部から燃焼室壁、コーンの一部までとした成型用の炭素製のダイスを製作した。SiC/SiCセグメントの成形にはSiC粉末をシート化したグリーンシートと、結晶性SiC繊維を添加したプリプレグシートを用い、ダイス上に最終成型品が1㎜程度の厚さとなるようにプリフォームを積層した。疑似HIP法ではφ500μmのカーボンビーズを圧力媒体として用い、成型温度1820℃、圧力20MPa、保持時間1.5 h、真空雰囲気において加圧成型を行った。セグメントの成形は可能であったが、加圧が十分でなく、プリフォームにビーズがめり込み、成型体表面を研削する必要がでて材料のロスが大きい、複雑な形状であるために炭素ダイスが使い捨てになるなど、単純な分割法と製作プロセスでは生産性が極めて悪いことが示された。
接合シミュレーション用のセグメントモデルは4分割で製作したがこの条件だとセグメントの接合面の角度が90°毎となる。疑似HIP法における治具内部の粉体の圧力分布評価の結果から、粉末の圧力には方向及び深さ依存性があることが示され、部材にピストンと90°方向の加圧が含まれると加圧力が小さくなるため疑似HIP法によるセグメント同士の拡散接合は難しく、セグメントの分割法を工夫するか、あるいは加圧が不要な接合法を検討する必要が示された。
燃焼装置の製作のための予備試験としてNITE-SiC/SiC複合材料の板材をJISの熱衝撃試験方法を参考に管状のシリコニット炉を用い、600℃から1350℃までの試験温度で15分間加熱・保持後、自由落下で水槽内の水に落として冷却する熱衝撃試験を行ない、700～1350℃の範囲では炭素被覆層の消失に伴う曲げ強度の低下が認めた。
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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
本年度の目標は当初計画の中の問題点を見出すことであった。セグメントの成形法の検討は当初予定した通りの手法でセグメントは製作できることは示された。一方で実際に将来のスラスタ制作を見据えた場合は問題が山積することも明らかとなった。1）フランジの成型法が固まらない点は課題である。疑似HIP法はピストンの加圧方向と90°方向では加圧力が弱く燃焼室とフランジを同時に疑似HIP法で成型するのは難しい。2）疑似HIP法では圧力媒体となる粉末がプリフォームに食い込むために、均一かつ十分な成型圧力がかかりにくく、結果としてセグメントの強度と密度が通常のホットプレス法で製作した板材と比較して小さい、3）ダイスは使い捨てとなる。分割すればするほどコスト高となる。4)HIP法接合法の検討結果から1/4分割だとセグメントは成型できても、疑似HIP法による拡散接合は加圧力が弱く接合が難しい。３）酸化試験の結果から700℃以上では高温靭性が落ちると推測されるが、1000℃程度で15分間の酸化試験後の熱衝撃試験でも50％以上の強度を維持できる、などデータを得ることができた。これらをもとにセラミックスの成形および加工企業と成型法の技術検討を行い、次年度以降の成形法の方向性についての指針を得ることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
フランジの成型法がない点は課題であるが、本研究で目標としている小型のスラスタでは、フランジ部分からノズル先端までを一つのセグメントとしてNITE法で製作し、かつさらに一体化するのはフランジ成型が難しい。また本年度の結果から疑似HIP法を用いた拡散接合だけでスラスタ形状を構築するのは難しいために、セグメントの接合・統合法を検討せねばならない。
まず加圧が必要でないSiC/SiC複合材料の成型法としてポリマー含侵熱分解法（PIP法）と反応焼結法（RS法）が考えられる。これらの成型法とNITE法で併用した成型技術研究が無いため、成型した板材を一体化し得るかの基礎検討を行う必要があり、また接合技術として活用可能かの技術検討も必要である。NITE法だけならばSiCのみのマトリックスとなるが、PIP法及びRS法を併用すると、マトリックス中に残留炭素、残留ケイ素が生じて複合材料の燃焼生成物との共存性と耐酸化特性に産火星に影響すると考えられ、詳細な微細組織評価及びに組成分析が必要になる。
燃焼試験のために装置のスペックを定める必要があるが、本年度の研究からφ40㎜程度の直径を持つフランジで製作する。SiC/SiC複合材料スラスタ内に燃焼室を形成するが、実際の燃焼自体は燃焼試験装置内で実施し、燃焼ガスを燃焼室内に送り込む方式を取って安定したデータを取得することとした。
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Research Products
(5 results)
