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本研究では、温度勾配化学気相浸透法(CVI法)による繊維素材強化複合材の高品位高速製造とその製造プロセスの解析を行うことを目的として、実験ならびに数学的モデリングと計算機シミュレーションを行った。
実験では、市販の炭化珪素繊維でプリフォームを作製し、その空隙内でアルミナを形成することにより、炭化珪素繊維強化アルミナ複合材を作製した。アルミナ成膜反応の原料系として、アルミニウムトリイソプロポキシドと三塩化アルミニウム-二酸化炭素-水素系とを比較したところ、後者の反応系の方が、製品中に混入する炭素量が飛躍的に少ないことがわかった。また、後者の原料では、前者に比べて粉体が生成しにくく、高速化を容易に行える可能性があることが示された。さらに、温度勾配を付加してCVIを行えば、高い成膜速度でも、外表面近傍での細孔閉塞を抑制し、緻密な複合材を製造できることが確認できた。ただし、三塩化アルミニウムを原料とする場合には、水蒸気生成反応律速となるように原料組成等を設定する必要があることがわかった。
数値シミュレーションでは、繊維質多孔体(プリフォームおよび複合材)を、従来の直交無限長繊維モデルに代えて、単位セル間に間隙をもたせた新しいモデルで表現したところ、CVIに伴う複合材内の温度分布変化を正確に計算できるようになった。その結果、数値シミュレーションにより、複合材の重量増加および空隙率変化の実験結果を非常に精密に再現することができた。数値シミュレーションによれば、水蒸気生成反応律速条件を満たしていれば、原料濃度を増加させても、外表面近傍での細孔閉塞は起こらず、プロセス所要時間を短縮できることが示された。このことは、実験的にも確認することができた。実験とシミュレーションの比較から、主要な反応経路が気相反応であることがわかったが、反応機構については、今後さらに詳細に検討する予定である。
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