Numerical simulation on melt infiltration process for ceramic matrix composites

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21H01218
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 18010:Mechanics of materials and materials-related
• Research Institution: Tokyo University of Science
• Principal Investigator: Inoue Ryo 東京理科大学, 工学部機械工学科, 准教授 (60756295)
• 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, 講師 (70844439)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: セラミックス基複合材料 / 溶融含浸法 / 毛細管現象 / 反応性濡れ / マルチフィジックス / 分子動力学

Outline of Final Research Achievements

In the present study, we simulate capillary melt infiltration (MI) phenomenon during manufacturing of SiC fiber-reinforced SiC matrix composites. During MI process, SiC is formed by reaction between Si melts and carbon source in SiC-fiber preform. Frequently, flow channels become narrower at the solid/liquid interface due to formation of reacted products. In the present study, we successfully reproduce obstruction of micro-channels by reaction-formed products by multi-physics simulation. However, the difference of infiltration height between simulated value and results of experiment was large. This is because the effect of changes in wetting by reaction-formed product.

Free Research Field

材料工学、流体力学、分子動力学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

SiC/SiC複合材料はジェットエンジンのタービンブレードなどへ社会実装されつつあり、従来材料に比べ軽量で耐熱性に優れるゲームチェンジャーである。一方、その製造方法は複雑で試行錯誤的に温度や圧力、時間などのプロセスパラメーターが決定されてきた。本研究の成果により、実験による検証回数を大幅削減に寄与することができる。また、新たな材料系に溶融含浸法を適用する場合にも有効活用が可能である。