ジェットエンジン部材用CMCの開発•信頼性評価

セラミックス基複合材料(Ceramic Matrix Composites:CMCs)と呼ばれる材料は新たな機械材料として注目され,民間航空機のジェットエンジンのタービンブレードをはじめとする高温部材への適用されようとしています.CMCは耐熱•耐酸化性能に優れたセラミックスを直径10μmのSiCやAl2O3といったセラミックス繊維織物で強化した複合材料であり,単体のセラミックスの弱点である脆いという欠点を克服し損傷を材料内部に蓄積する損傷許容性を持ちます。タービンブレードにおいては、CMCの表面に熱遮蔽コーティングや、水蒸気耐性を持つ酸化物をコーティングすることで劣化を防ぎます。

 

本研究室では①CMCの製造プロセスのシミュレーション,②既存のCMCの寿命予測や信頼性保証技術の確立というまさに社会実装されようとしているCMCの問題を解決すべく研究を行っています.また,既存研究の延長線上にない「新たなCMCを創出する」という研究課題にも取り組んでいます.

Yu Ishioka, Hideki Kakisawa*, Kazuya Shimoda, Yutaro Arai, Ryo Inoue, Masashi Wada, & Satoshi Kitaoka, “Fabrication, microstructure, and mechanical properties of all-oxide ceramic matrix composites using high-yield precursors,”  J. Mater. Sci., 57 (16) 2022 7767-7777. https://doi.org/10.1007/s10853-022-07144-5



大気圏再突入環境用CMC及びコーティングの開発

宇宙往還機の再突入時や超音速機の耐熱パネル、ノーズコーンといった部材は空力加熱により2000℃を超える温度環境に晒されます。本研究室では、炭素繊維とUHTC(Ultra High Temperature Ceramic)を組み合わせたC/UHTCMCと呼ばれる新たな複合材料・表面の耐熱コーティングの開発を行っています。

大気圏再突入環境時の加熱環境を再現するための風洞試験(JAXA, 宇宙科学研究所)を実施し、高温での化学的劣化(酸化)現象と動圧による機械的負荷が同時に生じる環境でのメカニカルエロージョン現象の理解に向け実験・解析両面からアプローチをしています。

Tomoki MarumoNoriatsu Koide, Yutaro Arai, Makoto Hasegawa, Toshiyuki Nishimura, Ryo Inoue*, “Characterization of Carbon Fiber-Reinforced Ultra-High Temperature Ceramic Matrix Composites Fabricated via Zr-Ti Alloy Melt Infiltration,” J. Eur. Ceram. Soc.In press. 

https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2022.06.040



CMCの製造工程のマルチフィジックスシミュレーション

CMCの製造法は気相と液相を利用する方法があります。後者は溶融含浸法と呼ばれ、金属を溶融させ多孔質媒体中に含浸すると同時に炭素源と反応させマトリックスを形成させる手法です。前者に比べ低コストで緻密なマトリックスを形成できる一方、制御が難しく、しばし欠陥が残留したり、繊維/マトリックス界面が強固に結合し、繊維の特性を100%発揮できないという問題点があります。本研究室では、溶融金属の含浸現象を界面の反応を考慮した流体シミュレーションにより再現し、最適な製造条件を見出すことを試みています。この取り組みをプロセシングインフォマティクスとして発展させ、勘やノウハウに頼らないモノづくりを実現させたいと考えています。

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研究テーマの例

1. Materials Informaticsを利用した既存材料の耐熱性能を超えるCMCの開発

2. 溶融金属の含浸現象を利用した新規CMCの開発とプロセス過程のマルチフィジックスシミュレーション

3. ハイエントロピーセラミックスを用いた熱遮蔽コーティングの開発

4. Zr合金を利用した超高温耐熱複合材料の開発と再突入環境での性能実証

5. 自動車用CMCディスクブレーキの信頼性評価