セラミック複合材

簡単な説明：

連続繊維強化セラミックマトリックス複合材料は、セラミックマトリックス複合材料の中で最も優れた材料の 1 つです。これは、セラミックマトリックスに耐熱性連続セラミック繊維を埋め込むことによって形成された高性能複合材料です。高い強度と靭性を備えています。特にセラミックス単体とは異なる非壊滅的な破壊モードを有し、世界中の研究者から大きな注目を集めています。

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繊維調製技術およびその他の関連技術の開発に伴い、そのような材料を調製するための効果的な方法が徐々に開発されてきました。それは、連続繊維強化セラミックマトリックス複合材の製造技術をますます成熟させました。現在、連続繊維強化セラミックマトリックス複合材料は、航空宇宙、国防、その他の分野で広く使用されています。

連続繊維強化セラミックマトリックス複合材料は、航空宇宙の分野で広く使用されています。

炭化ケイ素繊維 (SiCf) / 炭化ケイ素セラミック (SiC) マトリックス複合材料は、航空エンジン用の新世代の高温耐性材料になりました。航空エンジンの高温部品には、主に燃焼室、高圧または低圧タービン、ノズルなどが含まれます。その中で、高圧または低圧タービン部品には、主にガイドブレード、ロータブレード、およびタービン外輪が含まれます。以前は、これらの部品は主に超合金で作られていました。その耐熱限界は約1100℃に保たれています。しかし、SiCf / SiC セラミックマトリックス複合材料を適用すると、エンジンコンポーネントの耐熱性が 1200 ～ 1350 ℃ に向上します。セラミックマトリックス複合材の部品品質は通常、超合金の 1/4 から 1/3 倍です。これにより、燃費が向上するだけでなく、燃費も向上します。

SiCf/SiC 複合材の主な製造技術には、化学気相浸透 (CVI)、ポリマー浸漬分解 (PIP)、および溶融シリコン化 (MI) が含まれます。2015 年、米国の GE 社は、プリプレグ浸透技術を採用して SiCf / SiC 複合材を製造しました。SiC 繊維は、30 日以内に任意の形状の最終製品に変換できます。GE Company は、f414 ターボファンエンジン検証機で世界初の低圧回転タービンコンポーネントの検証に成功しました。これは、連続繊維強化セラミックマトリックス複合材料が、航空エンジンやガスタービンに幅広い用途の見通しを持っていることを示しています。2021年5月、GE社初の適応型可変サイクルエンジンXA100がテストされました。このエンジンには、セラミックマトリックス複合材料が広く使用されており、米国の第 6 世代戦闘機に動力を供給します。1980 年代、フランスのサフラングループは CVI プロセスを使用して、SiCf/SiC 複合材料で作られたローターブレード、ミキサー、センターコーンの製造を開始しました。それらは、地上試験で CFM56 エンジンでテストされています。さらに、ノズルコンポーネントは、A320、A380 およびその他の航空機での飛行も検証されています。耐空証明の通過は、航空エンジンの高温部品に SiCf/SiC 複合材料を使用する時代の到来を示しています。

セラミックマトリックス複合材料は、極超音速機の安全な飛行のための重要な熱保護材料です。極超音速機の飛行速度は、音速の 5 倍以上です。このような高速飛行では、2000 ～ 3000 ℃ までの激しい空気摩擦と熱気流の影響により、車両の主要な構造コンポーネントが損傷しないようにする必要があります。

繊維強化セラミックマトリックス複合材料には、優れた高温性能、高靭性、高比強度、高比弾性率、優れた熱安定性など、亀裂や熱衝撃に対する感受性を効果的に克服できる多くの利点があります。また、再利用可能な熱保護の分野でも重要な用途と幅広い市場があります。現在、セラミックマトリックス複合断熱材は、単一の材料から、材料と構造を組み合わせた新しい熱保護システムまで開発されています。同時に、熱保護、断熱、耐荷重の伝統的な設計から、熱保護、断熱、耐荷重の統合の光の方向へと発展します。

繊維強化セラミックマトリックス複合材料は、高温耐性、耐摩耗性、高強度、低誘電率、低損失、高信頼性など、多くの優れた特性を備えています。それらは、新しいミサイルや戦闘機の開発におけるボトルネックと困難な技術の1つであるレドームの重要な材料になるはずです.現在、主に石英、繊維強化石英セラミックス、石英繊維強化窒化ケイ素セラミックス、窒化物繊維強化窒化ケイ素セラミックスなどの複合材料があります。それらはすべて、耐高温性、波動伝達、ベアリングと放熱などの優れた総合特性を備えています。2016 年から 2020 年にかけて、山東省工業用セラミック研究設計研究所有限公司は、連続窒化繊維布と窒化細断繊維強化窒化ケイ素複合システムに関する体系的な研究を実施しました。同社が開発した複合材料は、優れた耐摩耗性、優れた誘電特性、および優れた機械的特性を備えています。高熱流束とエンタルピーの条件下では、2700℃の高温と長期のアブレーション試験に耐えることができます。これは、将来の高速、耐久性、低アブレーション、および高波伝達の要件を満たすことができる、新世代のセラミック波伝達複合材料でなければなりません。

民生分野で急速に発展しています。

ブレーキシステムへの応用

C/C-SiC 複合材は、密度が低く、耐摩耗性に優れ、摩擦係数が一定で安定しており、耐熱衝撃性、耐酸化性などの利点があるため、ブレーキシステムに使用されています。この種のブレーキディスクは、軽量で耐熱性が高く、比熱容量がスチールの 2.5 倍です。金属ブレーキシステムと比較して、このブレーキディスクは構造重量の 40% を節約できます。カーボンブレーキディスクの耐用年数は、メタルベースの 5 ～ 7 倍です。特に制動トルクが安定しており、制動時の騒音も小さい。C/C-SiC コンポジットカーボンブレーキディスクは、実用的な状況で適用されています。

生物学への応用

C/C複合材料は、新しい潜在的な生物医学材料であり、人間の骨の修復と骨の置換に良好な応用の見通しがあります。現在、C/C 複合材料は、臨床分野で骨盤、骨副子、骨針に使用されています。また、この材料は人工心臓弁の中耳の修復材料として使用されていることも報告されています。また、人工根においても良好な臨床応用効果を達成しています。

発熱体への応用

グラファイト発熱体は強度が低く、脆く、加工や輸送が困難です。C/C コンポジット材料は、強度が高く、靭性が高く、耐熱性に優れているなどの利点があります。この材料は、加熱体の体積を減らし、作業領域を拡大することができます。

環境保護分野への応用

山東工業セラミック研究設計研究所有限公司は、近年、新しいタイプのセラミック繊維複合機能膜チューブの開発に成功しました。この複合材料は、高効率の粒子浄化機能と触媒脱硝機能を統合した高温ガス浄化材料であり、高温（250℃以上）ですす粒子と窒素酸化物を効果的に除去できます。そのような種類の材料には、高いろ過効率、高温耐性、優れた高温触媒活性、高いNOx変換効率、長い耐用年数などの利点があります。そのフィルタリング精度は 0.1μm の粒子を遮断でき、最低排出量は 1mg/m³ です。その耐熱性は 650 ℃ と高いです。特に、その窒素酸化物除去率は 97% 以上に達することができます。セラミック繊維複合機能膜は、建材の高温ガス浄化、焼却、コーキング、バイオマス発電などの分野で広く使用されています。

これまで、克服すべき多くの技術的困難が残されています。

中国におけるセラミックマトリックス複合材料の研究は、比較的遅く始まりました。しかし、ここ数年で大きなブレークスルーが起きました。高性能セラミック繊維に関しては、炭化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化物などの主要な繊維は、エンジニアリング技術と工業化のブレークスルーを達成しています。セラミックス基複合材料の作製技術、加工技術、接続技術、信頼性評価技術、応用技術が大幅に向上しました。航空エンジンの多くのコンポーネントが設計、開発、評価されてきました。しかし、欧米や日本などの先進国との比較ではまだまだ大きな差があります。コンポーネント評価の検証と適用に関しては、中国はまだ初期段階にあります。適用範囲と累積評価時間は非常に限られています。海外の工学応用研究とのギャップも大きい。

航空エンジンの高温部品へのセラミックマトリックス複合材の適用を実現するためには、主に解決する必要がある以下の技術的困難があります。

1) 超高温・低コストのカーバイド繊維に代表される高性能セラミックス繊維とその複合化技術の開発。

2) 炭化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素、ケイ素ホウ素窒素などの繊維とその前駆体の工学的に安定な製造技術を打ち破る。

3) セラミックマトリックス複合材料の迅速かつ低コストの製造技術を開発する。

4) セラミックマトリックス複合材料の産業チェーン全体の主要技術を突破し、関連技術の効果的な調整を達成する。

5) セラミックマトリックス複合材料の固有構造と故障メカニズムに関する研究を強化し、寿命予測モデルを確立する。

6) 応用面の研究を強化し、評価制度と基準を確立する。

現在の市場では、市場での用途の需要が高いセラミックマトリックス複合材料には、主に炭化ケイ素繊維強化炭化ケイ素セラミックマトリックス（SiCf / SiC）および炭素繊維強化炭化ケイ素セラミックマトリックス（CF / SiC）複合材料が含まれます。中でも前者は、将来の航空エンジンの材料として最も有望視されており、航空エンジンの性能向上の鍵を握る材料でもあります。将来、国内セラミック複合材料市場の発展潜在力は巨大である。