夢の材料“CMC”は機械を変えるか、実用化を推進する東京工科大学：材料技術

東京工科大学は2018年11月29日、東京都内で「東京工科大学CMCセンター設立記念シンポジウム『CMCが拓く日本の航空機産業の未来』」を開催し、CMC（セラミック基複合材料：Ceramic Matrix Composites）研究における同大学の取り組みを紹介した。

[松本貴志，MONOist]

　東京工科大学は2018年11月29日、東京都内で「東京工科大学CMCセンター設立記念シンポジウム『CMCが拓く日本の航空機産業の未来』」を開催した。同シンポジウムでは、CMC（セラミック基複合材料：Ceramic Matrix Composites）研究における同大学の取り組みや、ジェットエンジンメーカーによるCMCの採用状況などを紹介した。

基調講演を行う東京工科大学CMCセンター長の香川豊氏（クリックで拡大）

夢の耐熱材料となるCMC、日本は競争力を保てるか

　基調講演では、東京工科大学CMCセンター長の香川豊氏が登壇し、CMCの概要と同センターにおける研究方針やテーマについて概説した。

　CMCはセラミック繊維をセラミックマトリックス（母材）と複合化した材料。耐熱金属材料の課題であった高温強度や質量、モノリシックセラミックの課題であった脆（ぜい）性破壊や傷許容性などを一挙に解決できる材料として期待されている。

CMCの概要（クリックで拡大）

　航空機エンジンを含むガスタービンは、タービン入口温度を高く設定することで熱効率が高まる。よって、現在用いられている耐熱金属材料よりも高い耐用温度を持つCMCの採用が進めば、エンジン推力の向上や燃料消費率の低減、軽量化などが実現できる。その他、原子力用燃料棒、自動車や航空機用ブレーキ部品などでの採用も検討されている。

　工業利用されるCMCを構成材で分類すると、非酸化物系と酸化物系に大別される。非酸化物系では、自動車用ブレーキローターなどに用いられる炭素繊維強化SiC（炭化ケイ素）マトリックス複合材料（炭素繊維／SiC）と、航空機エンジンなどで採用され高い耐用温度が期待できるSiC繊維強化SiCマトリックス複合材料（SiC／SiC）が主要な材料となる。

CMCの種類（クリックで拡大）

　特に、SiC繊維は1975年に東北大学で生まれた技術で、日本企業がグローバルで多くのシェアを獲得する高機能材料としても注目を集めている。代表的なSiC繊維製品は、宇部興産の「チラノ繊維」や日本カーボンの「ニカロン」などだ。

　また、酸化物系（OX／OX）ではムライト繊維強化Al₂O₃（アルミナ）マトリックス複合材料やAl₂O₃繊維強化Al₂O₃マトリックス複合材料などが挙げられ、耐用温度が1000℃程度の自動車や航空機エンジン部品としての活用が検討されている。

　ここで、香川氏は航空機エンジン耐熱材料の歴史について振り返り、1940年代の鋳造合金から少しずつ耐用温度を伸ばしてきたが1990年代より理論上の限界に近付いてきたことを説明し、「耐熱金属材料は1150℃程度までしか成り立たない」（香川氏）とする。航空機エンジンで用いられるCMCでは、OX／OXで1000℃程度、SiC／SiCで1200℃級と1400℃級の耐用温度が期待されているが、その実現には部材や耐環境コーティング（EBC）の低コスト化、性能検査技術の確立などといった解決すべき課題が複数存在する。

左：CMCの耐用温度と解決すべき課題　右：CMCセンターの重点研究項目（クリックで拡大）

　CMCセンターでは、「先端素材・プロセス部門」「性能評価・解析部門」「計算機利用・信頼性解析部門」のグループで構成され、実用化に向けた課題解決を基礎と応用領域の両面から研究を行う。また、CMCに関する知の中心地として共同研究などを通じてサプライチェーンの構築も担うとする。

　香川氏は「検査技術などは国際連携によるオープンな場で協調して研究を行いつつも、特定の領域ではクローズド環境で競争的に研究を行う」と同センターの運営方針を示した。

左：CMCセンターの構成　右：CMCセンターが担う役割（クリックで拡大）