CMC材料の開発統合アプローチ

CMC（セラミックス基複合材料）は、極限環境での耐熱性と高強度が求められる宇宙航空やエネルギー産業に不可欠な素材です。当社は、材料内部の現象解析や製造プロセスの最適化、特性評価を一貫して支援し、再現性の高いプロセス開発と高精度な特性評価を実現します。これにより、研究者やエンジニアが直面する課題解決をサポートし、次世代材料の開発を加速します。

Capturing Phenomena

材料開発では、基礎研究から実用化に向けたプロセスまで、現象の深い理解や製造技術の高度化が求められます。そのため、目的に応じた適切な評価手法やプロセスの最適化が重要です。

マトリックス形成

材料内部への樹脂や金属の含浸を高精度で実現し、強度や耐久性を向上させます。効率的な含浸技術により、製造プロセスの安定性を確保します。

コーティング材

高温や腐食環境から材料を保護するコーティング材を提供し、長寿命かつ信頼性の高い材料設計を可能にします。

極限環境での特性評価

高温、衝撃、酸化などの厳しい条件下で材料の特性を評価し、実用環境における信頼性を検証します。

溶融含浸法

溶融含浸（MI: Melt Infiltration）法は、CVI法やPIP法と比べて短時間・低コストで緻密なマトリックスを形成できる手法であり、溶融金属を毛細管現象や拡散によってプリフォームに含浸させ、内部の空隙を埋めます。しかし、未含浸領域や未反応金属の残留が強度低下を招くため、適切なプロセス条件の設定が不可欠です。含浸理論であるLucas-Washburn式は、溶融物の接触角の変化や流路の不規則性を考慮できず、実際の挙動を正確に記述できません。そこで、実験と解析を通じて含浸メカニズムを解明し、プロセスの最適化を図ります。

MI法による異種金属合金の濡れ性と含侵挙動の解明

MI法における金属の濡れ性と含浸挙動を解明するため、異なる金属合金を用いた実験を実施しました。使用した合金は、Si:Nb:Ti=5:5:90 at%（SNT90）、Si:Zr:Ti=7.5:7.5:85 at%（SZT85）、Si:Cr:Ti=20:20:60 at%（SCT60）です。グラファイト板を基材とし、1600℃で濡れ性を測定した結果、SNT90およびSZT85では界面にSiC層、SCT60ではTiC層が形成され、SCT60が最も優れた濡れ性を示しました。

また、Tiの濡れ性への影響を評価するため、純SiとSi:Ti=40:60 at%の合金を用いた比較実験を行ったところ、純Siに対しTiを添加することで濡れ性が向上することが確認されました。

さらに、グラファイト板を用いて1×1×60 mmの直線流路を作製し、Si合金の含浸実験を行った結果、含浸速度は時間に対して直線的な挙動を示しました。

分子動力学法によるMI法における濡れ性と含侵メカニズムの解析

解析には分子動力学（MD）法を用い、金属と基材の濡れ性に関する分子レベルの挙動を検討しました。その結果、基材の構造が濡れ性に大きく影響し、グラフェン構造は濡れにくく、カーボン構造は良好な濡れ性を示すことを確認しました。しかし、実際のグラファイトは濡れやすいことから、界面反応と基材構造の変化が濡れ性を決定する重要因子であると示唆されました。さらに、グラファイトとアモルファスを混合した炭素基材モデルを構築し、グラフェン構造の割合が増すほど界面反応が活発化し、濡れ性が向上することを明らかにしました。

また、Eyringの式による反応速度の予測は実験値と乖離があり、新たな濡れ速度予測式を提案しました。本予測式はMI法の含浸メカニズム解明とプロセス最適化に寄与すると期待されます。

コーティング材の開発需要

高効率ガスタービンエンジンの開発に伴い、タービンブレードなどの高温部材の使用温度が上昇しており、基材はNi基超合金から軽量・高耐熱性のSiC系CMCへの移行が進んでいます。しかし、CMC単体では酸化や水蒸気環境下での耐久性が不足するため、遮熱コーティング（TBC）や耐環境性コーティング（EBC）が不可欠です。現在、TBCのトップコートにはYSZが広く用いられていますが、1200℃以上では結晶構造の不安定化による剥離が課題です。一方、EBCとして使用される希土類モノシリケート（RE₂SiO₅）は基材との熱膨張差による剥離、ダイシリケート（RE₂Si₂O₇）は相転移による熱応力の発生が課題となっています。そこで、実験と解析を通じて原材料の選定と製造プロセスの最適化を図ります。

TBC代替材料としての高エントロピー酸化物の合成と熱的特性評価

TBCには、低い熱伝導率と高い相安定性を持つ材料が求められます。そこで、TBCの代替材料としてZrO2、HfO2、Y2O3、Ta2O5、CeO2の5種類の酸化物を原料とし、粉末状の試料を固相反応法によって合成しました。その後、放電プラズマ焼結(SPS)法を用いてバルク試料を作製し、熱的特性を評価しました。

分析の結果、Y2O3とCeO2の割合を増加させることでエントロピーの増大と結晶構造の安定化を両立できることが確認されました。また、アーク溶解よりも固相反応法の方がより安定した材料を得るうえで有効であることが分かりました。特に、ZrO2:HfO2:Y2O3:Ta2O5:CeO2=30.5:30.5:13:13:13という組成は、最も低い熱伝導率を示し、TBC材料としての適性が高いことが評価されました。この材料は、従来のYSZよりも高い耐久性を持つ新しい材料として期待されています。

SiC系CMC向けEBC代替材料の開発と耐熱特性評価

EBCには、厳しい水蒸気環境下での形状安定性と低熱伝導性が求められます。そこで、従来のEBC材料の代替としてY2O3、La2O3、Yb2O3、Gd2O3、CeO2、SiO2の6種類の酸化物を使用し、粉末状の試料をSPS法で焼結することでバルク試料を作製しました。試験の結果、これらの材料は従来のEBC材料と比較して低い熱伝導率を示し、熱膨張係数も基材のSiCと近い値(4.5~6.5×10-6/K)を持つことが確認されました。さらに、SiO2の割合を減少させることで高温水蒸気中の形状安定性が向上し、水蒸気腐食耐性が向上することが明らかになりました。この結果は、高温環境下でのSiC系CMCの耐久性を向上させることに大きく貢献します。

耐熱特性評価の必要性

当社のCMC(ZT,TH，ZTH，ZTX)は大気圏再突入環境や極超音速環境といった動圧が発生し，>2000℃程度まで数秒で加熱される極めて過酷な条件での使用を想定しています。一般的な高温炉を用いて目的の温度まで昇温する評価法では，昇温速度は早くても～1000℃程度であり，動圧も考慮することができません。当社は独自の高速昇温動圧試験システムにより前述の環境を再現して，特性評価を行っています。

高速昇温動圧試験システム

小型のサンプルに対して酸水素バーナーによる加熱を行うことで，数秒で＞2000℃まで部材を昇温することが可能です。当社で設計した材料の超高温域における熱的特性や損耗挙動を簡易的に評価し，情報科学を援用した材料創成を円滑に進めるために必要な設備です。温度は1000℃程度から>2000℃まで幅広く制御可能であり，サンプル形状も自由に設計可能です。またCMCに限らず，高温構造材料全般に利用可能です。