NIMSと横浜国大、高速でき裂が完治する自己治癒セラミックスを開発――フライト中にヒビを治す航空機エンジン用部材への一歩

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(左)自己治癒の様子。完治まで最速1分。 (右)ネットワーク状に配置された酸化マンガン(緑)が治癒を促進

物質・材料研究機構(NIMS)と横浜国立大学の研究グループは2017年12月21日、航空機エンジンが作動する1000℃において最速1分で、き裂を完治できる自己治癒セラミックスの開発に成功したと発表した。この成果は、フライト中にヒビを治す航空機エンジン用部材を実現する大きな一歩になるという。

航空機産業において、航空機エンジンの高効率化に寄与する耐熱材料の開発は、日本の持続的発展のためにも必要不可欠とされている。耐熱材料の中でも特に、人の骨のようにき裂を自律的に治癒できる「自己治癒セラミックス」は、1995年に横浜国立大学の研究グループが発見して以来、セラミックスの持つ本質的な脆さと信頼性の低さを抜本的に改善した新たな耐熱材料として、タービン部材への適用が期待されてきた。

しかし、アルミナ(Al2O3)に炭化ケイ素(SiC)を複合した従来材では、1200~1300℃の限られた温度領域でしか、き裂を完治できないという問題があった。そこで、治癒機構を解明し、幅広い使用環境において高速でき裂を完治できる自己治癒セラミックスの開発と設計指針の構築が強く求められていた。

同研究グループは、自己治癒セラミックスが、骨の治癒と同じく炎症・修復・改変期という3つの過程で治癒することを発見した。具体的には、自己治癒セラミックスにき裂が入ると、き裂から侵入した酸素と、セラミックスに含まれる炭化ケイ素が反応して二酸化ケイ素が合成され(炎症)、セラミックスの母体であるアルミナと二酸化ケイ素が反応してき裂を充填し(修復)、結晶化して強度が回復する(改変)。

さらに骨の治癒を促進する体液ネットワークをヒントに、セラミックスの治癒を活性化する酸化マンガンをアルミナの粒界に極微量配置することで、従来材では航空機エンジンが作動する1000℃において1000時間かかっていたき裂の治癒時間を、最速1分程度にまで短縮することに成功した。

今後は、骨の治癒だけでなく強靭化構造からも学ぶことで「割れが入っても壊れない」、究極的には、使用環境下で「損傷と共に生きる」ことのできる人工材料の開発に挑戦するとしている。

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