超塑性セラミック被覆によるC/Cコンポジットの耐熱性・耐熱衝撃性の同時向上

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経済性や起動性などの点で優れた熱機関であるガスタービンの熱効率の向上を図るためには、1500℃以上の高温に無冷却で耐えうるタービン翼材料の開発が求められており、その有力候補としてC/Cコンポジットが注目されている。本材料は、高温酸化雰囲気中での酸化反応により材料強度が大きく劣化するため、構造材に適用する場合には、セラミック等を被覆して本材料を複合化することにより耐酸化性を付与する必要がある。これまで様々な被覆手法が検討されてきたが、C/C基材と被覆層との熱膨張率のミスマッチや密着性等の問題により、未だ十分な耐酸化性と耐熱衝撃性を有した被覆層を実現するには至っていない。これまでに申請者らは、独自の被覆法の開発と材料使用環境の制御により、本材料の耐熱性向上のための研究を継続的に実施してきた。しかし、耐酸化性と耐熱衝撃性を同時に兼備するというような過酷な使用条件に耐えうる材料を開発するためには、更なる複合化技術のブレークスルーが必要とされるに至ってきた。そこで本研究では、過酷な高温場で使用される材料には、CVD法、PVD法やプラズマ溶射法によってZrO_2、Al_2Oなどを遮熱コーティングすることが一般的で、熱の流入を遮蔽する事のみを重視し、熱輻射による放射冷却にはほとんど関心が向けられていなかった点に着目し、きざいの耐熱性を向上させることのできるような、輻射率の高い材料を作製することを目的とした。輻射率が高く、耐熱性にも優れたコーティング材料としてセラミックスが挙げられる。しかしながら、ZrO_2、Al_2O、MgOなどの酸化物系セラミックスのほとんどが、1000K付近から温度上昇とともに急激に輻射率が低下する傾向がある。一方、カーボン、SiCをはじめとする非酸化物系セラミックスは、1250K以上でも高い輻射率を持つ材料が多いものの、そのままの状態では1250Kを越える高温下に長時間曝されると酸化してしまうため、コーティング材料としての機能が保持できない。そので1250Kを越える高温下においても高い輻射率と耐熱性を有し、さらに施工性にも優れたセラミックスコーティング材料の研究開発を行ってきた。その結果、上記コーティング材料として、耐熱ガラスマトリックス中に高輻射率顔料であるセラミックス粉末を均一分散させた構造が適当であることが、確認された。