金属チタン分散アルミナ基複合材料への亀裂導入後（a）、室温亀裂修復後（b）～（d）の電子顕微鏡写真と強度変化
大阪大学は2019年1月21日、金属チタンを分散したアルミナセラミックス基複合材料において、発生した亀裂を室温で修復できることを世界で初めて実証したと発表した。同技術により、煩雑で多くのエネルギーを必要とする加熱プロセスを用いることなく損傷修復ができ、低コストかつ簡便で、材料が実装されている状態でも修復が可能になるという。
これまで、セラミックスと金属の複合材料は様々なものが研究・開発されてきた。しかし、両者の結合様式の違いや化学的反応性、用いる原料粉末の性状が限られるなどの理由から、組み合わせや微細構造には制限があった。
大阪大学産業科学研究所の関野徹教授らの研究グループは、このような制約を様々な合成プロセスや焼結プロセスを駆使することで克服。セラミックスにタングステンやニッケルなどの金属をナノメートルサイズの粒子として分散させたセラミックス／金属ナノ複合材料の創製研究では、力学的特性と磁気特性を共存させた材料などの多機能型ナノ複合材料を提案してきた。
一方、構造用材料として知られるアルミナなどの酸化物セラミックスと生体用金属材料や軽量高強度金属などに応用されているチタンとの組み合わせは、高温においてチタン自体が酸化しやすいうえに、Al2O3などの酸化物と反応して化合物を生成することから、加熱を必要とするセラミックスプロセスを用いた複合化の適用は難しかった。他にも、チタン金属には多機能化を図るためのナノサイズTiの複合化が困難という問題もあった。
そこで、研究グループはセラミックスと金属からなる複合材料において、分散複合化する金属のパーコレーション構造を設計。2018年11月には、組成を制御すると共に、粉末調整・焼結プロセスを最適化することで、アルミナセラミックスと金属チタニウムからなる複合材料を創製し、破壊靱性（割れにくさ）の向上と高い電気伝導性を両立させることに成功している。
今回、同研究グループは、この多機能型セラミックス基複合材料において、電気化学的陽極酸化反応が生じることを示した。加えて、同反応の適用により加熱を一切用いることなく室温でオペレーション可能な亀裂（損傷）修復方法を開発。複合材料に発生した亀裂を修復し、材料強度を本来の値まで回復させることに世界で初めて成功した。
これまで、セラミックスの損傷修復法として、化学反応を生じることで亀裂を埋める方法（自己修復機能）が研究されていたが、化学反応や拡散反応の発生には概ね1000℃以上の高温が必要だった。また、樹脂系接着剤（エポキシ樹脂など）やセラミックスセメントを利用した亀裂修復方法も存在するものの、これらの方法では基材となるセラミックスと樹脂あるいはセラミックスセメントとの接着性に限界があり、亀裂発生前の初期強度と同等まで強度を回復させることは困難だった。
実験では、複合材料に人工的に亀裂を発生させることで破壊強度が大きく低下した材料に対し、陽極酸化処理を用いて亀裂発生前と同等な強度まで回復することを実証した。また、この回復が、分散したチタン金属表面における陽極酸化反応に由来して生成した酸化チタン相が亀裂を埋めることで応力集中を緩和する機構によるものであることなども示した。
今回の成果は、セラミックスの新たな損傷修復法や信頼性確保を可能とする技術として、今回用いたAl2O3/Ti複合材料の組み合わせ以外にも多様な系への適用や広範囲への応用が期待される。さらに、電気化学的処理は表面にナノ構造を容易に形成できるため、亀裂修復だけでなく、光化学的機能や電気化学的機能を複合材料表面に担持させることも可能だ。そして、用途や目的に応じた多様な機能・応用が可能な「マルチタスク対応材料」として、自己修復機能を持つ構造部材や光機能を持つ生体適合材料などの新たな応用展開も期待されるという。
