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Optimizing the fabrication process for excellent mechanical properties in stoichiometric SiC fiber/FCVI SiC matrix composites

優れた機械強度を目指した高結晶性SiC繊維/FCVI-SiC基複合材料の作製プロセスの最適化

田口 富嗣; 井川 直樹; 實川 資朗; 野澤 貴史*; 加藤 雄大*; 香山 晃*; Snead, L. L.*; McLaughlin, J. C.*

Taguchi, Tomitsugu; Igawa, Naoki; Jitsukawa, Shiro; Nozawa, Takashi*; Kato, Yudai*; Koyama, Akira*; Snead, L. L.*; McLaughlin, J. C.*

低放射性や高温特性に優れた原子力材料であるSiC/SiC複合材料に関して、機械特性のさらなる改善のためには、気孔率の可能な限りの低減化かつ空孔や界面層の均一化が重要な要素となる。本研究では、最も低放射化が期待できる複合材作製法である強制熱傾斜化学蒸気浸透(FCVI)法の製造条件の最適化に着目し、本材料の機械特性向上に必要な上記要素の改善について検討した。気孔率は、SiC繊維含有率の増加によって減少すること、空孔や界面層分布は、原料ガス等の流量の最適化によって均一化できること等を明らかにした。また、界面層の均一化のためにはプロセスにおける材料反転処理が特に有効であった。なお、本最適化によって、これまでFCVI法では得られなかった15%以下の低気孔率が達成できた。また、界面層としてカーボンを選択した場合では、厚み誤差が$$pm$$10nm以内の均一な界面層を作製でき、平均界面層厚みが75~300nmの時に優れた機械特性を有することが明らかとなった。

Process optimization for Forced-thermal gradient Chemical Vapor Infiltration (FCVI) fabrication of 75 mm diameter size SiC composites with advanced SiC fibers; Hi-Nicalon Type S and Tyranno SA, was carried out. The SiC/SiC composites fabricated by FCVI exhibited significant reduction in porosity (15.1%) and more uniform pore distribution by decreasing the MTS and H$$_{2}$$ gases flow rates in the latter part of the FCVI process. The tensile strength of the both composites using Hi-Nicalon Type S or Tyranno SA fibers was slightly increased with increased thickness of carbon interphase in the range of 75-300 nm. In order to perform the comparative testing required to directly compare the thermomechanical property changes following neutron irradiation, larger composites with uniform microstructural property are required. From the results of process optimization for fabrication of 75 mm diameter size FCVI SiC/SiC composites, the definitive purpose in this study is the fabrication of the 300 mm diameter size SiC/SiC composite with the uniform microstructural properties.

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