2,000度までの温度に耐えられる新しい多孔質セラミック合金が発見されました

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華南理工大学のチュー・ヤンフイ氏は中国科学日報に対し、セラミックスは次世代の極超音速航空機の断熱材として重要な役割を果たす可能性があると語った。

多孔質セラミック材料は、軽量、化学的不活性、低熱伝導率といった優れた特性から、断熱材としてますます人気が高まっています。しかし、断熱性を維持しながら機械的強度を確保することは容易ではありません。断熱性を高めるためには、多孔質セラミックパネルに多くの穴を開ける必要があり、その結果、材料の強度が大幅に低下してしまうからです。さらに、多孔質材料は高温にさらされると強度が低下し、収縮する傾向があります。

e771ea72 8103 41da ae62 7c1f922eeba4 68262b5a 新着.jpeg — これらの特性により、材料の機械的強度と断熱性が向上し、航空宇宙などの最も過酷な条件での使用に適したものになると研究者らは結論付けた。

この新しいセラミックを開発した広州大学材料科学工学院の研究チームは、この材料のマルチスケール構造設計によって、これらの固有の限界を克服できると述べています。研究チームの研究報告書は、現在、Advanced Materials誌に掲載されています。

「9PHEBと呼ばれるこのセラミックは、並外れた特性と、摂氏2000度までの温度でも耐久性を維持できる能力を示しており、過酷な条件での使用に適している」と研究を主導したチュー氏は論文に記している。

この材料は、高エントロピー合金（5種類以上の元素を組み合わせた合金）の概念に基づいています。9PHEBの場合、9つの正電荷を帯びた多孔質イオン性成分の組み合わせです。

著者らによると、9PHEBの多孔度は約50%ですが、室温での圧縮強度は約3億3700万パスカル（MPa）と非常に高く、従来の多孔質セラミックスよりもはるかに高い強度を示します。また、この新材料は断熱性および熱安定性試験でも優れた性能を示し、1500度の高温下でも室温強度の98.5%を維持しました。

2,000℃で圧縮すると、脆く破壊する傾向がある従来のセラミックとは異なり、9HPEBは塑性変形を示します。このマイルストーンにおいて、この新しい多孔質セラミックは49%の変形を示し、圧縮強度は690MPaに相当し、当初の2倍に達します。

重要なのは、高温が材料の体積や寸法に大きな影響を与えなかったことです。9HPEB は、2,000°C で焼鈍処理した後、約 2.4% しか収縮しませんでした。

チュー氏は、このセラミックの機械的特性と熱的特性は「マイクロスケールの超微細孔、ナノスケールの高品質界面、そして原子スケールの格子歪み」という「多層」設計によるものだと述べている。

セラミックの気孔の微細構造、つまりその大きさと分布は、設計において重要な要素です。気孔の約92%は超微細で、その大きさはわずか0.8～1.2マイクロメートルです。科学者によると、この微細な気孔こそが、セラミックに比類のない断熱特性をもたらすのです。ナノスケールでは、セラミックは強固で欠陥のない接合部を有し、機械的強度を高めています。また、原子スケールでは、高エントロピー設計によって生じる格子歪みが剛性を高め、熱伝導率を低減します。

これらの特性により、材料の機械的強度と断熱性が向上し、最も過酷な条件での使用に適したものになると研究者らは結論付けた。

材料科学工学部の准教授で共著者の荘磊氏は中国科学日報に対し、この材料は航空宇宙、エネルギー、化学工学などの産業で幅広く応用できる可能性があると語った。

（サウスカロライナ州立大学モーニングサーカスによると）