| 研究課題/領域番号 |
19H02451
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| 研究機関 | 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構 |
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研究代表者 |
後藤 健 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 准教授 (40300701)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | セラミックス複合材料 / 界面 / 相変態 |
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| 研究実績の概要 |
SiC繊維は結晶性繊維の開発により、1500℃以上の高温で安定して使用可能となっている。一方、これを用いたSiC/SiC複合材料は繊維の耐熱温度を十分に活かせていない。SiC/SiC複合材料の最高使用温度が繊維の耐熱温度に比較して低く抑えられている要因の一つに、繊維／マトリックス界面の接着強度を制御する繊維コーティングが低温で劣化し機能を喪失するという課題がある。そこで、より高温酸化雰囲気で安定であるZrO2による繊維コーティングをレーザーCVDにより実現することが本研究の目的である。着目した理由は２点である。まず、ZrO2は熱膨張係数が比較的大きく、SiC繊維との間に熱応力が発生し、接着強度を弱めること。さらに、ZrO2は1000℃付近で体積膨張・収縮を伴う相変態（立方晶から単斜晶）を起こすため、コーティング施工温度とその後の熱処理条件を設定することで、残留応力を変化させることが可能となることである。本年度は繊維コーティング装置による条件出しと、ZrO2繊維コーティングを用いたSiC/SiC複合材料の力学特性と界面の力学特性の変化について調査した。レーザーCVD装置については製作条件を確定することとしたが、既存のレーザー加熱装置の出力が十分ではないことがわかった。ZrO2繊維コーティングを用いたSiC/SiC複合材料の引っ張り強度および破断ひずみを取得した。引っ張り強度は370 MPa程度、破断歪み0.44%程度を発揮しており、レーザーCVDプロセスにより繊維強度の劣化がなく、十分な強度発現ができることを確認できた。また、ZrO2繊維コーティングの厚さの影響を調査した。その結果、厚さを最大1.5ミクロン程度まで変化させたが、単繊維押し抜き法から測定された界面せん断応力は変化することなく50 MPaから100 MPaとなり、厚さの依存性はないことがわかった。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
SiC繊維にZrO2繊維コーティングを施工したSiC/SiC複合材料の引張強度を取得するために、ポリマー含浸焼成法を用いて繊維束１本からなるミニコンポジットを作製した。取得した引張特性はSiC/SiC複合材料として十分な強度発現していることが明らかとなった。また、ZrO2繊維コーティングの厚さの依存性がないことも明らかとなった。昨年度までに作製温度の依存性を明らかにし、本年はコーティング厚さの依存性も判明したことから、製作条件の最適化がほぼ完了した。今後はさらに力学特性を取得し作製したZrO2繊維コーティングの実用性を示して行く予定である。
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| 今後の研究の推進方策 |
（１）レーザーCVDによるZrO2コーティングの施工
今年度は現有するレーザー光源を用いて、SiC繊維への酸化物のコーティングを施工する。現有のレーザーでは出力が不足しており、限られた条件（低温）でのコーティングしかできなかった。本年は、できる範囲でのコーティング条件における繊維―マトリックス界面の力学特性の変化を調査する。
（２）SiC/SiCミニコンポジットによる各種力学特性の取得
昨年度に引き続き、ミニコンポジットを用いて、複合材料の力学特性や繊維―マトリックス界面の力学特性の取得を進める。界面の力学特性の取得は、繊維押し抜き法を採用することとし、ZrO2コーティング付きセラミックス複合材料の界面力学特性とミニコンポジットの力学特性を調査する。接着強度を最適化したコーティング条件を得ることができた場合は、高温で長時間曝露後のミニコンポジットの各種力学特性を取得しプロセス条件を最適化する。
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