特集

セラミックス複合材料の研究開発の動向と展望
東京工科大学赤津 隆＊ 1 Akatsu Takashi 東京工業大学 吉田 克己＊ 2 Yoshida Katsumi

はじめにの研究・開発がその座を取って代わった。その主な理由として、SiC系連続繊維の耐熱性が大幅に向上し（ハイニカロン・Type SやチラノSA）、高複合材料は、「2種以上の素材を組合せてつく温を伴うセラミックス複合材料の製造プロセスでられる材料で、各素材の長所を活かし、または短繊維が劣化しにくくなったこと 3）、炭素繊維には所を補うように設計され、単独の素材では得られ酸化損耗という致命的な弱点があること、繊維/マない優れた性質と機能を有する材料」と定義できトリックス界面の組織制御によりカタストロフィる。ここでいう「性質」や「機能」とは必ずしも構造ックな破壊を回避することが可能となったこと 4）、材料としての性質や機能、たとえば強度や破壊靭などが挙げられる。

性、信頼性など、を指すとは限らないが、紙面の上述のように、セラミック連続繊維強化セラミ

都合上、本稿では構造材料としてのセラミックスックス複合材料が現状、研究・開発の主流であり、複合材料に限定して、その研究開発の動向を紹介

そ れ ら は 総 称 し てCMC（Ceramic Matrix Com-する。

posite）と呼ばれている。SiC/SiC（詳細は後述す

1990年代まで、構造材料としてのセラミックる）を中心としたCMCにおける研究・開発の動向

ス複合材料の研究・開発においては、粒子（ウィについては、別稿（香川スカー、プレートレットなどを含む）分散セラミにおける発表内容や議論からみた主要国別CMC

ックス複合材料とC/C（残炭率の高い樹脂を炭素研究開発のトレンドと今後の展望」）に詳細が紹介

化・黒鉛化したマトリックスに炭素繊維が囲まれされているので、本稿ではCMCを含めたセラミた組織をもつ炭素繊維強化炭素複合材料）をはじ

ックス複合材料をいくつかピックアップし、それめとする炭素繊維強化セラミックス複合材料が主ぞれ個別に研究・開発の現状を紹介する。

流であった 。なかでも、セラミックナノ粒子が豊他、「最近の国際会議1）

セラミックマトリックス中に分散したナノコンポ
ジットにおいて 1GPaを超える高強度材料が開発

ウィスカー強化セラミックス複合材料されたことが特筆できる 2）。一方、
C/CやC/SiC（詳SiCウィスカー（ひげ状単結晶）がセラミック

細は後述）はすでに材料開発の段階を脱し、実用

マ ト リ ッ ク ス の 強 化 材 と し て 主 に 用 い ら れ、化（宇宙・航空分野、ブレーキ材料など）の段階にCMCのような高い損傷許容性は発揮できないも入っていた。それ以降、現在に至るまで、SiC系のの、ウィスカーの亀裂架橋により破壊靱性が向連続繊維を強化繊維とするセラミックス複合材料

上し 5）、モノリシックセラミックスよりも破壊に対する信頼性が高い。さらに、SiCは高硬度で高＊ 1 片柳研究所 所長 教授〒 192-0982 東京都八王子市片倉町 1404-1☎ 042-637-6060＊ 2 科学技術創成研究院 ゼロカーボンエネルギー研究所准教授〒 152-8550 東京都目黒区大岡山 2-12-1 N1-28☎ 03-5734-296016熱伝導性であるため、ウィスカー強化セラミック
ス複合材料は硬く、耐摩耗性、耐熱衝撃性 6）に優れる。SiCウィスカー添加はセラミックマトリッ
クスの焼結性を阻害するため、通常、ウィスカー強化セラミックス複合材料は加圧焼結で作製さ

特集

（a）

注目の材料技術 最新動向と展望（ b）

図 1 （a）SiCウィスカー強化Al2O3 複合材料製切削工具、（b）焼き入れした工具鋼が切削される様子（矢印がSiCウィスカー強化Al2O3 複合材料製切削工具）（出所：B. Bertram and R. Gerhardt（2011）. Properties and Applicationsof Ceramic Composites Containing Silicon Carbide Whiskers, Properties
and Applications of Silicon Carbide, Prof. R. Gerhardt（Ed.）, ISBN: 978953-307-201-2, InTech, Available from: http://www.intechopen.com/
books/properties-and-applications-of-siliconcarbide/properties-andapplications-of-ceramic-composites-containing-silicon-carbide-whiskers）

図2

C/SiC製自動車用ブレーキローター（出所：https://www.endless-sport.co.jp/products/brake̲rotor/index̲
Racing̲CMC.html）の応用も検討されている 4）。

Ox/Ox
Ox/Oxは酸化物セラミックスに比較的耐熱性れ、複雑形状の部材には適さない。主に高速加工の高いAl2O3 繊維やムライト繊維を複合化した材用切削工具（図 1 、スローアウェイチップ）
として料であり、3M社やニチビ㈱製の繊維が用いられ実用化されている。

ることが多い。Ox/Oxは繊維もマトリックスも酸化物セラミックスであるため、高温にさらされC/SiC

ると焼結により互いが強く結合し、CMC特有の高い損傷許容性が発現できなくなる。そのため、C/SiCは炭素繊維チョップドファイバーがSiC

繊維表面をモナザイトなど数種類の物質でコーテマトリックスに分散した複合材料であるが、損傷ィングすることにより 8）、繊維/マトリックス界許容性はCMCほど高くないものの、軽量であり、面が組織制御される。Ox/Oxは耐用温度が 1000

熱伝導性が高く、特に高温での耐摩耗特性としゅ℃程度の自動車や航空機エンジン部品（図 3 ）、熱う動特性を兼ね備えていることから、自動車用ブ交換器用部材としての応用が検討されている。

レーキローター（図 2 ）をはじめ、高速車両のブOx/Oxの問題は高温での酸化物セラミックスのレーキなど、過酷環境用の耐摩耗材料として実用結晶粒成長や気孔形成による繊維強度劣化であ化されている 7）。炭素繊維の低い耐酸化損耗が弱り、繊維の耐熱性向上が期待される 4）。

点であるが、軽量であることから、超高温にさらされる時間が短時間で済むような宇宙関連用途へ
排気混合器

排気混合器の中心部CMC製外側シュラウド（4分割）

ミキサー

図3

取付リング

組み立てられた

CMC製排気混合器

航空機用ジェットエンジンのExhaust Mixer に応用されるOx/Ox（出所：J.D. Kiser, et. al., Oxide/Oxide Ceramic Matrix Composite（CMC）Exhaust Mixer Development in the NASA Environmentally ResponsibleAviation（ERA）Project, ASME Turbo Expo 2015: Turbine Technical Conference and Exposition, Volume 6: Ceramics; Controls, Diagnostics
and Instrumentation; Education; Manufacturing Materials and Metallurgy; Honors and Awards, ISBN: 978-0-7918-5675-8, ASME and Rolls-RoyceCorporation, Available from: https://asmedigitalcollection.asme.org/GT/proceedings-abstract/GT2015/56758/V006T02A002/237584）

2023年夏号（Vol.71 No.4）

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