成果報告書詳細
管理番号20110000001168
タイトル*平成22年度中間年報 ナノテク・先端部材実用化研究開発/新幹線用ハイブリッドセラミックスディスクブレーキ部材開発(3)
公開日2011/9/9
報告書年度2010 - 2010
委託先名国立大学法人東京大学
プロジェクト番号P05023
部署名電子・材料・ナノテクノロジー部
和文要約和文要約等以下本編抜粋:1. 研究開発の内容及び成果等
コバレントマテリアル(株)とともに新幹線用ディスクブレーキ部材を簡単かつ短時間で作製するプロセス技術の確立を目指し、炭素繊維と炭素粒子、SiC粒子等の予備成形体を作製する技術を構築することを目標としている。特に東京大学生産技術研究所では、予備成形体の炭化過程の最適化、最適化された予備成形体へのSi-Cu合金等の高速含浸プロセス技術における問題点を明確化し、その解決策に必要な物理化学的知見の整理とデータ収集を行っている。得られた知見は、コバレントマテリアルで行う実践研究の指針となる。
このために、平成20年10月以降は炭素繊維、炭素粒子、SiC粒子等を用いた予備成形体作製条件の最適化、予備成形体の炭化過程の最適化、炭化した予備成形体へのSi-Cu合金等の含浸方法の最適化手法の開発に取り組んできた。
平成21年度には、炭化後の予備成形体にSi-Cu合金を含浸するプロセス技術の最適化に取り組んだ。密な材料を作製するには、炭素繊維と合金の濡れの悪さを改善する必要があったため、種々の界面活性元素の添加やSi-Cuの組成を変えて浸透が可能な条件を明らかにした。
平成22年度には、炭素繊維へのSi-Cu基合金含浸時、炭素繊維と合金中のSiの反応によりSiCが生成し複合材料の耐疲労性の低下を招く問題を解決するためSiC生成制御へ向けた基礎的な知見の獲得に取り組んだ。
Si-Cu基合金と炭素繊維間の反応に関する重要な因子である合金中Siの活量は合金の組成並びに添加成分により制御することができる。そこで、Siと親和性の高いFeを添加成分として着目し、Si-Cu-Fe三元系合金中のSiの活量について調査を進めた。まず、実験手法の確立のため既に熱力学データが報告されているSi-Cu二元系合金中のSiの活量測定を行った。
グラファイト坩堝にSi-Cu合金とSiO2ペレットをCO雰囲気下で溶融保持する。このときの平衡反応式は(1)で、平衡定数は(2)で表わされる。CおよびSiO2は飽和(C、SiO2の活量ac(s)、aSiO2(s)=1)であるのでCO分圧PCOを変化させることでSiの活量aSiが制御可能である。Si-Cu合金中のSi濃度XSiを調査することで合金中Siの活量係数γSiを得ることができる。
英文要約The goal of the research at the Institute of Industrial Science, the University of Tokyo and Covalent Material Co. Ltd., is to establish the easy and short time production process for a disk brake of Shinkansen, The process is to synthesize a preform composed of C fibers, C particles and SiC particles followed by the rapid infiltration of Si-Cu melts. The University of Tokyo plays an important role in optimizing the carburizing process and clarifying the problem in the infiltration process by the thermodynamic investigation.
In order to attain the final goal of the first stage “Production of a hybrid ceramic disc of 20 cm in diameter”, we have been trying to find a best condition for forming SiC through the chemical reaction between carbon and Si-Cu molten alloys. Most effective parameters are the processing temperature and Si-Cu alloy composition. We mostly play the role of giving some advice for the better production process.
In 2010, we have tried to clarify thermodynamic data which are important for more precise evaluation of the critical condition of SiC formation at the interface between C fiber and Si-Cu based alloy.
Firstly, experimental method for measuring the thermodynamic property of Si in Si-Cu alloy was established. Chemical equilibration technique was employed. Si-Cu alloy and SiO2 was equilibrated under a certain oxygen partial pressure controlled by CO gas and graphite crucible. The equilibrium was attained in 16 hours in case of 1 atm of CO gas at 1623K. From the Si content of 0.833 wt%Si (XSi=0.0186), activity coefficient of Si in Cu at infinite dilute solution in reference to pure solid Si,was found to be as low as 0.0092, showing a considerably negative deviation from ideality. Using this value critical content of Si for SiC formation was precisely evaluated in case of the Si-Cu binary alloy.
Applying the same technique with the addition of Fe, the effect of Fe content on the activity coefficient of Si will be clarified in 2011.
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