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過酷な環境に耐える材料の開発で、新しいものを生み出したい!

RESEARCHER
高温、中性子、酸化などの非常に過酷な環境で耐えうる新たな材料を考えた時、SiCセラミックスは、数ある工業材料として使われるセラミックの中でも、とくに優れた基礎物性をもっている。軽量かつ耐熱性があり、耐酸化や耐食性といった化学的安定性もある。さらに、高純度なSiC材料は、中性子を照射しても強度が落ちないという特性もある。一方、セラミックス独特の脆弱性が弱点であり、構造材料としては致命的である。

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この脆弱なSiCセラミックスに、高強度・高剛性のSiC長繊維を複合化させることで,靭性と信頼性を向上し、構造材としても魅力的な材料の開発を目指して研究を進めている。

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従来のSiC複合材料は、母材とそこに組み合わせる繊維の間に界面層ある。この界面層は酸化し、また中性子による劣化も起こる。そこで本研究では、母材に界面に用いられるような粒子を分散させ、界面層をなくした新しいコンセプトの複合材料を開発した。京大として特許も取得している。

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燃焼炉において温度をあげることは効率向上につながり、また飛行機では燃費を向上させるため、高温に耐えうる材料が課題である。しかし、従来の金属材料では強度が劣化する温度は最大1120℃であり、1200℃といわれる理論値に近いところまで性能が向上しているため、抜本的な材料の革新が必要である。 開発した新しい材料をもちいて高温の試験を行ったところ、1400℃、190MPaで10万回引張を繰り返しても破断しないことを確認し、従来の素材だと1150℃においても疲労強度が1000回以上で、顕著な劣化が見られた。

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BN粒子分散SiC複合材料の1400℃疲労強度。

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本材料を工業的に成立させるために、SiC繊維と母材の原料からなるシート(プリプレグ)形成技術を民間企業と開発した。プリプレグを目的とする形状物に合わせて切断、積層、焼結することにより、飛行機のエンジンのライナーや核融合炉まで、航空・宇宙、原子力・核融合など、さまざまな分野で応用されることが期待される。

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飛行機のエンジンなどでは、高温水蒸気への耐性が必要である。この耐環境皮膜として既存の材料では、シリコンの結合層にBSASという耐水蒸気皮膜をつける三重被覆の構造などが用いられている。これは多層で複雑であり、高コストであるとともに、シリコン層が酸化したときに亀裂ができ剥がれやすいという課題があった。そこで、焼結で作製したSiCを酸化させるだけで被膜を作る新しい技術を開発した。

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研究では、イッテリビウムオキサイド(Yb<sub>2</sub>O<sub>3</sub>)の焼結助剤を使って焼結し、酸化させると表面に形成されたSiO<sub>2</sub>と粒界のYb2O3が拡散して反応し、表面に均一なシリケート層ができることを発見した。この技術により、SiCを焼結して酸化させるだけで中間層の無いシリケート層を形成することができる。当初、被膜の厚さは20㎛であったが、高い緻密性をもつ新たな表面改質技術によって、応用の観点から求められていた100㎛の厚さも実現した。

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Yb<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>の粉体を用いて、SiC表面での共晶反応を利用した表面改質。

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タングステン(W)は高融点で重い元素のため、高エネルギープラズマに耐えうる最も有望な材料であり熱伝導も高い。一方で高温になると再結晶化して脆くなるという課題があり、また中性子の照射に対する脆弱性もある。 一方、SiCは、優れた高温強度があり、中性子の照射に対する特性も、また低放射化の特性もある。そこで、両者を組み合わせ、高温かつ中性子照射下で優れた強度と熱伝導特性をもつ、SiC繊維とW繊維で強化したW母材の複合材料の開発を行った。

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SiC及びWハイブリッド繊維強化高靭性W複合材料の提案。

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SiC及びWハイブリッド繊維織物も作製し、強度試験も行っている。 原子力、核融合、航空機エンジンなど様々な共同研究を進めており、原子力、核融合などでも国際的な研究プロジェクトに参加している。

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どんなタネ?

高温や中性子照射、酸化といった過酷な環境に耐える材料の開発を目指して研究をしています。優れた耐熱性や耐食性をもつSiCセラミックスに着目し、その欠点である脆さを克服する三つの新材料の開発に成功しました。一つ目は、SiC繊維で強化したSiC基複合材料です。SiCセラミックスの粒子分散材をつくり、従来よりも強度と信頼性を向上させました。二つ目は、材料内部の添加物の拡散と酸化反応によって耐高温・水蒸気被膜をつくる新技術を開発しました。三つ目は、金属ワイヤーとSiC繊維のハイブリッド複合材料で、SiCの高温特性、耐食性と金属の高熱伝導、構造的信頼性を備える新たな概念の材料です。これらはいずれも、航空機や核融合炉への応用が期待されています。

なぜ研究を始めた?

所属していた研究室の主なテーマは核融合に関連する材料であり、金属を中心としていました。SiCセラミックスの繊維強化複合材料の研究はあまり例がなく、研究室内でも私が一番はじめに取り組みました。この材料は複合化することで新たな機能を得て、飛行機をはじめとして様々な応用の可能性があります。そうした観点から、変わった材料で面白いと感じたのがきっかけで研究をはじめました。

なにを変える?

私たちが取り組んでいるのは、極限環境に耐えうる材料の開発です。そうした材料ができることで実現するものがあるのではないでしょうか。

例えば、核融合です。長年研究されていますが、まだ実用化されていません。その理由として大きいのは、材料であると考えています。また、飛行機でも、宇宙に飛び出して帰ってくるような機体が実現できるかもしれません。色々なところで革新的な材料があれば実現できるものがあるでしょう。

既存のものの性能をよくするのではなく、今までボトルネックになっているものを打ち破っていくことを目指すのが、私たちの研究です。ここは大学です。大胆に、今までにないものを生み出せるような研究をしたいと思っています。

なにが必要?

近年、共同研究を多く行っていますが、時間が足りないというのが本音です。事務仕事が多く、研究や考えることに使える時間を増やしたいと思っています。

この研究には、他にも応用の可能性が広がっていると思いますし、大学内外に連携できるような方々がいらっしゃるのも知っています。さらに進めていくためには、そのようなマッチングを行い、深く関与し、プロジェクトを実現に向けて推進してくださるような役割の方がいれば、さらに多くのことが実現できるでしょう。現在の大学にもそういう機能がありますが、さらに広がることを期待しています。

VIDEO MATERIAL
SiC繊維で強化されていないSiCセラミックスの管材(①)とSiC繊維で強化された粒子分散SiC複合材料(②)の熱衝撃試験結果。 ※1200℃大気下で30分保持して、室温の水槽に投下、4秒のスローモーション動画
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(元京都大学情報学研究科 准教授)