成果報告書詳細
管理番号20120000000509
タイトル平成20年度~平成23年度成果報告書 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2012/6/8
報告書年度2008 - 2011
委託先名独立行政法人物質・材料研究機構
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
和文要約本プロジェクットでは、省エネ・高速ネットシェープ炭素短繊維強化SiCセラミックスハイブリッド材料の製造プロセスは開発された。開発したプロセスは3つのステップから構成された。すなわち、ステップI:予備繊維成形体の作製;ステップII:繊維成形体の炭化および焼成;ステップIII:溶融Siの含浸。また、ハイブリッドセラミックス材料の製造方法は予備繊維成形体の作製方法により、大別して<1>スリップキャスティング法、<2>粉末冶金法、<3>造粒法の三種類である。これらの方法を用い、作製したそれぞれの繊維成形体を高温での炭化・焼成および溶融Siの含浸することにより、炭素短繊維強化SiCセラミックスハイブリッド材料の作製に成功した。得られた材料を用いて破壊挙動の評価を行い、材料の破壊挙動に及ぼす繊維の種類、繊維体積率、繊維成形体の組成と含浸合金組成の影響が明らかになった。さらに、三種類の製造プロセスで得られた材料の特性を比較し、それぞれの製造プロセスにより、得たハイブリッド材料の特長を明らかにした。得られた結果をまとめると、下記のようになった。
(1) スリップキャスティング法では、均一的に分散した炭素短繊維強化SiCセラミックスハイブリッド材料が得られた。この材料は高い強度を示したが、破壊抵抗は低かった。また、含浸時、溶融Siと繊維との反応による繊維硅化傾向は強かった。
(2) 粉末冶金法では、繊維成形体の作製は容易、かつ短時間でき、得られた炭素短繊維強化SiCセラミックスハイブリッド材料が大きな破壊抵抗を示したが、強度は低かった。
(3) 造粒法では、冶金法と同様に、繊維成形体の作製は容易、かつ短時間でき、得られた炭素短繊維強化SiCセラミックスハイブリッド材料が高い強度と大きな破壊抵抗を示した。
(4) 開発した炭素短繊維強化SiCセラミックスハイブリッド材料の破壊挙動は繊維の種類、繊維体積率、繊維成形体の組成、含浸合金の組成に依存することがわかった。Pitch系繊維ハイブリッド材料はPAN系繊維材料より強度と破壊抵抗は大きかった。繊維の体積率は大きくなると、材料の強度と破壊抵抗は大きくなった。また、繊維成形体中にSiCの添加または溶融SiにFeの添加に伴い、繊維の硅化を低下させ、大きな破壊抵抗を持つハイブリッドセラミックス材料を得ることができた。
(5) スリップキャスティング法、粉末冶金法と造粒法で得られたセラミックスハイブリッド材料はそれぞれの特長の持つものであった。したがって、これらの方法を用いて一つの部材に設計に応じて異なる繊維成形体の組み合わせにより、その部材の繊維成形体の作製ができた。さらに、溶融Siを含浸すると、一つ部材に位置によって異なる特性の持つものを得ることが可能となった。
(6) 開発した製造プロセスにより、直径が200mm以上のハイブリッドセラミックスディスクブレーキ部材の試作に成功し、プロジェクトの目標を順調に達成した。
英文要約Three kinds of net-shape processes, slip casting method, powder metallurgy method, and granulation method, were successfully developed in the project, for manufacturing the carbon short fiber-reinforced SiC hybrid materials. The developed manufacturing processes of the hybrid materials consisted of three steps as follows: (1) Shaping, (2) Pyrolysis, and (3) Siliconization. In first step, carbon short fibers, nano-sized SiC particles and phenolic resin are mixed to a homogeneous mass. Then, the carbon short fiber reinforced plastic (CFRP) green body was made, by using slip cating or/and warm press technology. In second step, the green body was thermally exposed at 1000°C in an inert atmosphere and then the porous body was obtained. In third step, the porous fibers body is put together with liquid silicon under vacuum at different temperatures between 1420°C and 1550°C to produce the carbon short fiber-reinforced SiC habrid materials. The microstructure and mechancial properteis of the hybrid materials were examined. The effects of fibers used, volume fraction of fiber, compositions of fiber preform and melting alloy on the mechanical behaviors were assessed. The results obtained are summaried below as follwing:
[1] The carbon short fiber-dispersed SiC hybrid materials were successfully fabricated, by using the slip casting method. The obtained hybrid materials showed a high flexural strength, but lower resistance to damage. This was atrributed to fiber damage during melting infiltration, as a result of the reaction between melting Si and C fibers to form SiC.
[2] The carbon short fibers-reinforced SiC hybrid materials were fabricated, by using a powder metallurgy method. This manufacturing method had simple in technology as well as shortten fabrication time, compared to the slip casting method. The obtained hybrid materials showed the great resistance to failure, the flexural strength was lower, however.
[3] The carbon short fibers-reinforced SiC hybrid materials were fabricated, by using a granulation method. This manufacturing process was similar to the mentioned powder metallurgy method. The fabricated habrid materials showed a great resistance to failure and a high fracture strength as well.
[4] The mechancial properties of the carbon short fibers-reinforced SiC hybrid materials depended on the fibers used, volume fraction of fibers, compositions of fiber preform and melting alloy. The mechanical properties of the pitch carbon fibers-reinforced SiC hybrid materials were superior to thoses of the PAN carbon fibers. In addition, the mechanical properteis of the materials increased with increasing volume fraction of fiber. Futhermore, the hybrid materials with superior resistance to failure were obtained when the nano-sized SiC particles were added to preform of fibers or/and Fe was added to Si during melting infiltration.
[5] The hybrid materials fabricated by the mentioned three methods showed the different superior mechanical properteis, respectively. Therefore, it is expected that the hybrid materials with the different mechanical properties, which are depended on the location, are possible for the same component, by a combination of preforms fabricated by three different forming methods.
[6] The test-manufactured disk brake of hybrid materisl with a diameter of >200 mm was successfully obtained, by using the processes developed in the project, and the goal of the project was achieved.
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