三次元造形と数値解析を融合した超高比強度セラミックス基複合材料作製技術の創出

研究課題

研究課題/領域番号	22J20100
研究種目	特別研究員奨励費
配分区分	補助金
応募区分	国内
審査区分	小区分18010:材料力学および機械材料関連
研究機関	東北大学
研究代表者	菅野晃歓東北大学, 環境科学研究科, 特別研究員(DC1)
研究期間 (年度)	2022-04-22 – 2023-03-31
研究課題ステータス	完了 (2022年度)
配分額 *注記	900千円 (直接経費: 900千円) 2022年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
キーワード	三次元造形 / 炭化ケイ素 / 傾斜機能材料 / 力学特性 / セラミック基複合材料
研究開始時の研究の概要	強度と耐熱性に優れる炭化ケイ素(SiC)連続繊維強化SiC基(SiC/SiC)複合材料は，耐熱パネルなどへの応用が期待されるが，非常に硬いため，複雑形状への加工が難しい．そこで，複雑形状を有するSiC/SiC複合材料を自在に造形可能な三次元造形技術の創出を目的とする．特に，SiC連続繊維を材料内部に導入することを意識し，本研究では，直接インク書込み造形技術を基盤とする．また，本技術は積層パターンを自由に操作できるため，数値解析を併用して，内部応力状態を考慮して適切な密度分布となるパターン設計および造形を行い，高比強度実現のために構造最適化が可能なSiC/SiC複合材料作製技術を創出する．
研究実績の概要	本研究では，セラミックス三次元造形法の１つである直接インク書込み法を用いた複雑形状を有する炭化ケイ素（SiC）連続繊維強化SiC基（SiC/SiC）複合材料の製造技術創出を第一優先課題とする．令和４年度では，SiC/SiC複合材料の三次元造形に及ぼす連続繊維およびインク条件の影響を評価した．また，年度途中にSiC粉末の出荷停止が相次いで入手困難な状態に陥ったため，密度傾斜セラミックス作製におけるプロセス上の課題すなわち層間の焼結収縮率差に起因する割れの評価をアルミナ粉末を用いて実施した．以下に得られた結果の要約を示す．（１）樹脂の強化材として注目されてきたセルロースナノファイバー（CNF）は，造形インクの乾燥体であるグリーン体の強度を向上させ，脆く低強度であったグリーン体のハンドリング性を改善した．一方で，CNFは，造形インクの定性的な流動特性とSiC焼結体の材料特性には影響を及ぼさないため，直接インク書込み法に適した添加剤であることが明らかとなった．（２）SiC/SiC複合材料の三次元造形において，SiC繊維とスラリーの乾燥収縮率の差に起因する乾燥割れの抑制に対するCNFの効果は確認されなかった．これにより，高品質なSiC/SiC複合材料三次元造形体の作製には，グリーン体強度以外のプロセスパラメータの改善が必要であることが示唆された．（３）異種材料積層板の残留熱応力に関する理論の拡張により，残留収縮応力の推定式が得られた．ある層の推定された残留応力がその層の強度を超えた場合，その層内にき裂が生じることが密度傾斜積層板を用いた実験で確認された．これにより，積層内にき裂の生じない密度傾斜設計方針が確立された．
現在までの達成度 (段落)	令和4年度が最終年度であるため、記入しない。
今後の研究の推進方策	令和4年度が最終年度であるため、記入しない。