2021 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) |
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)
中里 直史 室蘭工業大学, 大学院工学研究科, 助教 (70714864)
中田 大将 室蘭工業大学, 大学院工学研究科, 准教授 (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 / C/SiC複合材料 / 接合 / スラスター |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究におけるスラスター製作において複数のSiC/SiCセグメントの統合を必要とする。本年度の実績の大きな項目は以下の3点である。1)形状付与したセグメントの一体化成型は無加圧で実施する必要があり、PIP法で製作した縦方向＋強化セグメントをNITE法で製作した内部セグメントに付与し、2）それらを一体化をRS法で実施する。3）熱伝導度と重量の観点から外部構造のためのC/SiCをNITE法で製作するための検討を行う。1)については2つのNITE SiC/SiC複合材料円管を使用してセグメントの一体化を模擬した技術検討を行った。円管を2つに分割し、2つをあわせた上で縦方向、および円周方向のSiC繊維を追加し、乾燥後に不融化処理を200℃,1h、焼成処理をAr雰囲気中で1200℃、1h実施することで強化セグメントを付与可能であることを示した。2)については1)の強化セグメントをるつぼ内に設置し、Siを1450℃で含侵させることで可能であった。3)はピッチ系およびPAN系の種々の炭素繊維のNITE法プロセス環境での安定性を評価したもので、NITEプロセス中にいずれの繊維も反応を生じ、断面積を減じる。一方で結晶構造により反応する厚さは異なり、全面非晶質の炭素繊維は中央部まで結晶相が成長して容易に破断しやすくなり、強化繊維としての機能を果たさなくなるのに対して、結晶性グラファイトの繊維は繊維表面近傍の結晶成長のみであり、曲げ試験および破面観察の結果からも繊維の強度特性の劣化は少ないものと推定される。一方で多くのマトリックスクラックが導入されるために、成型プロセス条件の最適化が必要であることも示されている。その他、SiC/SiCスラスターの燃焼試験装置は実験施設に設置し、冷却系の整備と水冷条件の調整を実施中である。
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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
本研究におけるSiC/SiCスラスター製作と燃焼実験が2本柱である。このうちNITE SiC/SiC
セグメント製作は技術的課題が少ないが、一体化に際しての強化繊維の追加は課題であった。PIP法を用いることでNITE SiC/SiC材上にPIP SiC/SiC層を成型できることが示され、この点については目途がついた。一方でNITE SiC/SiC材上のPIP SiC/SiC層は層間の接合力は弱いために、セグメント同士の接合の際に、同時にNITE SiC/SiC材上にPIP SiC/SiC層の一体化も行う必要がある。セグメントの一体化技術を無加圧で実施するにはRS法のよる無加圧での接合が最も可能性があると考え、本年度は分割したNITE SiC/SiC管にPIP SiC/SiCの外層を形成した模擬材を用いてRS法により一体化実験を行った。この実験で、PIP SiC/SiC層は強固にNITE SiC/SiC管に接着され、同時に分割されていたNITE SiC/SiC管同士も固相接合されて一体化した。RS法による一体化技術は実施可能と考えられるが、一方で燃焼生成物と接触する内壁にこの接合線があると、接合部から損傷する可能性があり、本年度の実験から、フランジから燃焼室までを化学安定性の高いNITE SiC/SiC製のモノコック構造とする必要があることが示された。これに基づき習作となるスラスタの製作を行った。技術課題が示されたが、フランジは燃焼装置に設置可能な形状で製作可能である。スラスター形状の成型も可能となったので、製作した燃焼装置を使用してのスラスターの燃焼実験も実施可能な技術的知見が確保されたと言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度行った習作のスラスター製作において基本的な製作法に基づいて、燃焼実験用のスラスターをを製作する。NITE法で製作したスラスターの内部構造セグメントを製作する。フランジ根本、外部構造の形状とスラスターのコーン部セグメントの繊維構造と形状は再検討を行なう。外部構造セグメントはPIP法で強化材を追加した後RS法で一体化する。セグメント部はセグメントは電界放射型走査電子顕微鏡による微細組織観察とEDSによる化学組成分析で、気孔・結晶粒・残留助剤分布・繊維の損傷状態の評価を行う。完成したスラスターはレーザー顕微鏡を用いて接合界面部の観察を行う。最終的にRS法による接合・一体化成型を行って燃焼実験用のスラスタを製作する。燃焼装置でスラスターの燃焼実験を実施し、現状の耐熱性の検証を行うとともに技術レベルと強度、熱特性の改善点を明らかにする。
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