Research Highlights 03

「セラミックス基複合材料」で空の材料革命を起こす

2023.11.16

耐熱性と軽量性に優れ、航空機エンジンへの一部採用を果たした「セラミックス基複合材料（CMC）」。
耐熱性向上と適用範囲の拡大を目指し、CMC関連材料の性能評価に邁進する垣澤英樹に話を聞いた。

垣澤英樹Hideki Kakisawa

構造材料研究センターセラミックス基複合材料グループグループリーダー

セラミックス基複合材料の躍進

セラミックス基複合材料（CMC）とは、硬くてもろいセラミックスの中にセラミック繊維を混ぜ込み、割れにくくしたものだ。たとえ亀裂が生じても、繊維を含んだ複雑な組織が亀裂の進行を妨げ、予期せぬ即時破断を防ぐ。金属と比べて耐熱性と軽量性に優れることから、特に航空機材料への応用に期待がかかる。垣澤はこう語る。

「2016年に、民間用ジェットエンジンの高圧タービンの一部に非酸化物CMCが採用され、さらに燃焼器内壁などへの適用も期待されています。排気ノズルにも酸化物CMCが使われ始めました。非酸化物CMCの現在の耐熱温度は1200～1300℃ですが、今後さらに高めていく必要があります。そのために我々が注力しているのが、CMCとそのコーティング材料の評価技術の開発です」

高温下でのリアルタイム観察に成功

燃焼温度が高温になるほど、タービンを回転させるための燃焼ガスにより、CMCの腐食が顕著になる。そのため、CMCの表面には「耐環境コーティング（EBC）」が施されている。

「高圧タービンの内部は、離着陸のたびに加熱と冷却を何度も繰り返します。急激な温度変化が繰り返されるとCMCとEBCの熱膨張率が異なるためにひずみが発生し、EBCに割れや剥離が生じることで、CMCの腐食を招きます。しかし、EBCにそのような損傷がいつ（昇温中か冷却中か）、何℃で生じるのかを知るすべはありませんでした。高温になると材料自体が強い輻射光を放つため、観察が困難なのです。そこで我々は、高温下でも観察可能な光学顕微鏡を独自に開発しました（図1）」（垣澤）

図1 独自開発した高温光学顕微鏡の模式図
UVカメラと試料の間に輻射光カット用のフィルタをセット。一方、試料には紫外線を照射し、試料からの反射光をカメラで捉える仕組み。試験片の表面には、独自開発した微細な耐熱パターンを形成した上で、引張負荷をかけながら画像を取得。「デジタル画像相関法」でパターンの変位を画像解析すれば、試験片のひずみ分布が定量化できる。

それにより、垣澤らは世界で初めて、室温～1400℃の連続光学顕微観察に成功した（図2）。さらに「デジタル画像相関法（DIC）」による解析で、ひずみを定量化。EBC中の亀裂発生の瞬間を捉えることにも成功し、次世代EBC開発の足がかりとなる重要な知見が得られた。