Correlation of microstructure and compressive strength of C/C composite using X-ray tomography

X線CTを用いたC/C複合材料の微細構造と圧縮強度の相関

角田 淳弥 ; 柴田 大受 ; 國本 英治*; 山地 雅俊*; 小西 隆志*; 沢 和弘

Sumita, Junya; Shibata, Taiju; Kunimoto, Eiji*; Yamaji, Masatoshi*; Konishi, Takashi*; Sawa, Kazuhiro

炭素繊維強化炭素複合材料(C/Cコンポジット)は、その強度及び耐熱性が優れていることからVHTR制御棒要素の候補材の一つである。2次元C/Cコンポジットの特性評価モデルの開発は、C/Cコンポジット製制御棒の設計において最も重要な課題の一つである。2次元C/Cコンポジットの特性は、繊維/マトリックス等の微細構造に強く依存するので、その微細構造から特性を評価することが可能であると考えられる。本研究では、2次元C/Cコンポジットの微細構造をもとにした特性予測開発モデルを開発することを目的として、X線CT像を用いて気孔分布を調べ、微細構造に基づくモデルを開発した。また、圧縮強度を測定するとともにモデルを用いて評価した。その結果、X線CT像から2次元C/Cコンポジットの気孔分布を視覚的に確認し、その容積や形状を評価することができた。また、本モデルを用いて2次元C/Cコンポジットの応力分布傾向を摸擬することが有用であることを示した。しかしながら、正確に応力の大きさを評価するためには、2次元C/Cコンポジットの特性評価及び適切なメッシュの設定が必要である。

For control rod element of Very High Temperature Reactor, carbon fiber reinforced carbon matrix composite (C/C composite) is one of the major candidate materials for its high strength and thermal stability. The development of a property prediction model of the two-dimensional (2D)-C/C composite is one of the most important subjects for the design methodology for control rod. Since the property of the 2D-C/C composite is strongly dependent on its microstructure, fiber/matrix, it would be possible to evaluate the properties of the 2D-C/C composite from its microstructure. In this study, in order to develop the property prediction model of the 2D-C/C composite base on its microstructure, pore distribution was investigated by using the X-ray computed tomography (X-ray CT) images and developed image based voxcel model. The compressive strength of the 2D-C/C composite was measured and evaluated by the voxcel model. This study shows that the pore distribution in the 2D-C/C composite can be confirmed visually and the volume and shape of the pores can be estimated from X-ray CT images. It is also shown that evaluation of the compressive strength by using the voxel model is useful to simulate the trend of the stress distribution of the 2D-C/C composite. However, it is necessary to characterize the property of the 2D-C/C composite and to set up the appropriate mesh to simulate the absolute stress value precisely.