Fabrication of SiC fiber reinforced SiC composite by chemical vapor infiltration for excellent mechanical properties

化学気相浸透法による優れた機械特性を有するSiC繊維強化SiC複合材料の作製

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

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

SiCは高温機械特性や中性子照射下での低放射化特性等に優れているが、低い靱性や脆性破壊挙動が問題である。SiC繊維で強化したSiC複合材料は、SiCの持つこれらの欠点を大きく改善させたものであり、核融合炉の第一壁等を始めとした構造材料として期待されている。近年、従来よりも高温安定性や耐酸化性に優れた高結晶性SiC繊維が開発され、一層の機械特性等の向上が期待されている。本報では、これら新繊維を用い、機械特性の向上を目標として、低放射化特性に最も優れた手法である化学気相浸透法を用いた複合材料作製の最適化を行った。作製時の原料ガスやキャリアガスの流量等を変化させることにより、従来よりも複合材料の緻密化,均質化が達成できた。また、複合材料中のSiC繊維割合を増加させることにより気孔が減少することがわかった。SiC繊維-母相間の界面材として、カーボン層あるいはC/SiC多層を採用し、界面材の厚みに対する引張機械特性評価を行った。50300nmの界面材厚さ範囲では、引張機械特性の厚み依存性が極めて小さく、この結果、界面材の薄膜化が可能であり、耐照射性の向上が期待できること、また、界面材厚みに対する設計誤差の許容範囲が拡大することを見いだした。

Silicon carbide is an important engineering ceramic because of its high strength and stability at high temperature and low induced radioactivity after neutron irradiation. Though monolithic SiC is brittle and low toughness, SiC fiber reinforced SiC matrix composites significantly improve these properties and therefore are attractive candidate materials for fusion reactor structural applications. Recently, stoichiometric SiC fibers with superior mechanical properties have been produced. We carried out the optimization of interface and composite fabrication using the chemical vapor infiltration, which is the one of the best techniques to fabricate the SiC composite. The composite with higher density and homogeneous matrix was obtained by the optimization of materials and carrier gas flow rate. The porosity was decreased with increasing the fiber volume fraction. We adopted the carbon or carbon/SiC interface between fiber and matrix and we found that the dependence of interface thickness on the tensile properties was small in the interface thickness from 50 to 300 nm.