先端セラミックス材料：航空宇宙・新エネルギー等の分野に強い

航空宇宙分野

高性能特殊セラミック材料は、アドバンストセラミックとも呼ばれ、主に高純度の合成無機化合物から最新の材料プロセスを用いて製造された、ユニークで優れた特性を備えたセラミック材料を指します。したがって、この材料は、低密度、高温酸化耐性、耐食性、低熱膨張係数、低クリープなどの利点を備えたセラミックマトリックス複合材料 (CMC) の製造に使用されます。航空/航空宇宙/兵器/海洋などのハイテク分野。その中でも、炭化ケイ素ベースのセラミック複合材料は、最も集中的に研究され、最もよく商品化された高性能特殊セラミック材料です。

セラミックマトリックス複合ブレードを備えたタービンローター

内燃機関、航空宇宙エンジンの出力効率を向上させるために、ガスタービンのホットエンドコンポーネントは600℃～1200℃の高温と複雑な応力の相互作用に耐える必要があり、材料要件は非常に厳しいものになります。炭化ケイ素は高温合金と比較して、高温に耐えるだけでなく、密度が高温合金の1/4〜1/3であるため、同じ燃料負荷でもエンジンの重量をさらに軽減できます。 、航空機の航続距離と爆弾の積載量を大幅に増やすことができます。

需要面では、高推力対重量比の航空エンジンの完成、宇宙船技術と急速な開発の緊急の必要性により、CMCは新世代の材料として、すでに軍事および民間用途での開発に大きな可能性を示しています。 。 MarketsandMarkets の予測によると、世界のセラミックマトリックス複合材料市場は、2016 年から 2026 年の 10 年間に 9.65% の CAGR で急速に成長し、2026 年までに 75 億 1,000 万ドルに達すると予想されています。

外国の炭化ケイ素繊維は早くから開発されており、強力な技術的埋蔵量を持っています。技術的な障壁が非常に高いため、価格は常に高く、中国には一貫して禁輸措置が取られている。

セラミックマトリックス複合材料

セラミックス基複合材料とは何ですか?セラミックを母材とし、各種繊維を含む複合材料の一種です。セラミックマトリックスは、窒化ケイ素や炭化ケイ素などの高温構造用セラミックとすることができます。これらの先進的なセラミックスは、高温耐性、高強度と剛性、比較的軽量、耐食性などの優れた特性を備えていますが、致命的な弱点は、材料破損につながる応力状態になると脆く、亀裂が入ったり、場合によっては破断したりすることです。高強度、高弾性繊維複合材料をマトリックスに使用することは、セラミックの靱性と信頼性を向上させる効果的な方法です。高強度、高弾性繊維複合材料をマトリックスに使用することは、セラミックスの靭性と信頼性を向上させる効果的な方法です。繊維により亀裂の拡大が防止され、靭性に優れた繊維強化セラミックス基複合材料が得られます。

セラミックマトリックス複合材料は、液体ロケットエンジンのノズル、ミサイルのアンテナカバー、スペースシャトルのノーズコーン、航空機のブレーキディスク、高級自動車のブレーキディスクなどとして使用されており、ハイテク新素材の重要な分野となっています。

セラミックス材料は耐摩耗性に優れ、硬度が高く耐食性にも優れているため、非常に幅広い用途に使用されています。しかし、セラミックの最大の欠点は、脆く、亀裂や気孔などが生じやすいことです。1980年代以降、セラミック材料に粒子、ウィスカー、繊維を添加したセラミックベースの複合材料がセラミックの靱性を大幅に改善しました。

高強度、高弾性率、低密度、耐高温性、耐摩耗性、耐食性、良好な靭性を備えたセラミックマトリックス複合材料は、高速切削工具や内燃エンジン部品に使用されています。しかし、これらの材料の開発は遅れており、その可能性はまださらに活用されていません。研究は、高出力内燃エンジン用の強化タービン、航空宇宙車両用の熱部品、車両エンジン用の金属の代わり、石油化学コンテナ、廃棄物焼却処理装置など、高温材料や耐摩耗性および耐食性材料への応用に焦点を当てています。 、など。

陶磁器というと、脆いという性質を思い浮かべるのは当然です。 10数年前であれば、エンジニアリング分野で荷重を受ける部品として使用されると誰もが受け入れることは不可能でした。これまでセラミックス複合材料というと、セラミックスと材料はもともと全く関係のない基礎素材であったことを知らない人もいるかもしれませんが、セラミックスと金属を巧みに組み合わせることで、この材料の概念が根本的に変わりました。セラミックマトリックス複合材料。

セラミックマトリックス複合材料は、航空宇宙産業、特に航空エンジン製造用途において有望な新しい構造材料であり、その独自性がますます発揮されています。セラミックマトリックス複合材料は、軽量で高硬度であるという利点に加えて、高硬度に対する優れた耐性も備えており、セラミックマトリックス複合材料は、優れた高温耐性と高温耐食性も備えています。現在、セラミックス基複合材料は、高温耐性において金属耐熱材料を上回り、優れた機械的特性と化学的安定性を備えており、高性能タービンエンジンの高温域に最適な優れた材料となっています。

世界各国は、次世代の高度なエンジンの材料要件に対応して窒化ケイ素および炭化ケイ素強化セラミック材料に注目しており、特に最新の航空エンジンへの用途において大きな進歩が見られます。たとえば、米国の試験用航空機の F120 エンジン、その高圧タービン シール、燃焼室の高温部分の一部はセラミック材料でできています。たとえば、フランスの M88-2 エンジンの燃焼室とノズルもセラミックベースの複合材料で作られています。

カーボン/カーボン複合材

カーボン/カーボンコンポジットとは何ですか?炭素繊維とその織物で強化された炭素基複合材料です。低密度 (<2.0g/cm3)、高強度、比弾性率、熱伝導率、低膨張係数、優れた摩擦性能、優れた耐熱衝撃性、高い寸法安定性などの利点を備えています。特に次のような利点があります。 1650℃を超える温度で適用される代替材料はほとんどなく、理論上の最高温度は2600℃をさらに上回るため、世界で最も有望な高温材料の1つと考えられています。

カーボン/カーボン複合材料は多くの優れた高温特性を備えていますが、400℃を超える温度の好気環境下では酸化を受け、材料の性能が著しく低下します。したがって、高温好気環境での炭素/炭素複合材料の適用には酸化防止策が必要です。炭素/炭素複合材料の酸化保護は主に 2 つの方法によって行われます。つまり、酸化保護の目的で炭素/炭素複合材料を酸素との直接接触から保護するために、低温でマトリックスの改質と表面活性部位の不動態化を行うことができます。現在最も使用されている方法はコーティング法ですが、技術が進歩し続けるにつれて、カーボン/カーボン複合材料の超高温性能への依存度が高まっており、超高温条件下で実現可能な唯一の酸化保護ソリューションはコーティング保護のみです。 。

C/C マトリックス複合材料は、近年世界で最も高温耐性の新材料として評価されているものの 1 つであることは言及する価値があります。 なぜなら、C/C複合材料だけが、推力重量比が20を超え、エンジン入口温度が1930～2227℃までのタービン動翼の後継として製造できる唯一の材料と考えられているからです。かつて米国が21世紀に向けて開発に注力し、特に世界の先進工業国が最上位の戦略目標として開発に注力した耐熱材料であった。

いわゆる C/C マトリックス複合材料は、炭素繊維強化炭素基本複合材料であり、炭素の可融性と炭素繊維の高強度および高剛性を 1 つに組み合わせたものであり、非脆性損傷を示します。 C/Cマトリックス複合材料は、軽量、高強度、優れた熱安定性、優れた熱伝導性を備えているため、今日、特に1000〜1300℃の高温環境下において最も理想的な耐高温材料であり、その強度は単に耐久性を維持するだけでなく、減少しますが、増加する可能性があります。特に1650℃以下の室温環境でも強度と風強さを維持します。したがって、C/C マトリックス複合材料は、航空宇宙製造産業において非常に大きな発展の可能性を秘めています。

航空エンジン用途における C/C ベースの複合材料の主な問題の 1 つは、耐酸化性が低いことであることは言及する価値があります。そのため、米国は近年、この問題を解決し、徐々に応用するために一連のプロセス措置を講じています。新しいエンジン。例えば、F119 エンジンのテールノズル、ノズル、燃焼室も C/C ベースの複合材料で作られています。

メカニカルベアリング分野

ベアリングは機械装置の非常に重要な部品であり、非常に一般的に使用されています。主な役割は、機械回転体を支持し、移動時の摩擦係数を低減し、回転精度を確保することです。その役割は人間の関節と呼ばれる「機械の関節」に似ており、回転するあらゆる機械の魂であり、機械産業のチップとも呼ばれています。

窒化ケイ素材料は、密度が小さく、硬度が高く、耐高温性、耐食性、電気絶縁性、不浸透性、高い圧縮強度、良好な自己潤滑性など多くの点を備えた高強度の人造結晶です。ハイブリッドセラミック軸受は、窒化ケイ素材料の高い圧縮強度と合金鋼の高い曲げ強度と良好な靭性の利点を活かして作られており、軽量、高い最高速度、小さな摩擦トルク、良好な回転精度、および優れた回転精度などの一連の利点を備えています。一般のスチールボールベアリングに比べ、高温下でも長寿命です。

窒化ケイ素セラミックボールベアリングは、世界で最も研究され、最高の性能を持ち、最も広く使用されているハイエンドセラミックベアリングです。窒化珪素セラミックボールベアリングはセラミックベアリングとほぼ同義です。 Foresight Industrial Research Instituteのデータによると、2020年の窒化ケイ素セラミックベアリングボール市場の小売規模は701億元に達し、2021年の市場規模は723億元に達し、年間平均成長率は11.26%になると予想されています。今後 5 年間で、新エネルギー車が主な成長ポイントとなり、2025 年には 1,108 億元に達すると予想されています。

供給面では、窒化ケイ素球の主要な世界的メーカーとしては、東芝、ツバキ、ナカシマ、クアーズテック、AKS、インダストリアルテクトニクス社などがあり、世界の窒化ケイ素球市場シェアの 45% を占めています。現在、アジア太平洋地域が窒化ケイ素球体の最大の市場であり、市場シェアは 48% であり、ヨーロッパと北米がそれに続きます。

新エネルギー分野

電子技術の急速な発展と新エネルギー車に対する世界的な需要に伴い、リチウムイオン電池は、高容量、軽量、再充電可能、低自己放電という利点により、多くの用途で市場を独占しています。現在、中国は世界最大のリチウム電池生産基地であり、中国のリチウム電池の開発可能性は膨大です。しかし、リチウムイオン電池の安全性やサイクル寿命には依然として問題があり、携帯電話の自然発火や電気自動車の火災、爆発などの事故が多発し、安全性が警鐘を鳴らされています。

AlOOHセラミック複合ダイヤフラムのSEMと構造概略図

セラミックダイヤフラムのコーティング材料は、一般にアルミナとベーマイトから選択されます。リチウムイオン電池は、電極（正極と負極）、絶縁体（隔膜）、電解質、シェルの 4 つの部分で構成されています。このうち隔膜は重要な内部部品の 1 つであり、リチウムイオンを埋め込んで放出することができるだけでなく、 - バッテリーのサイクル性能を確保するために正極と負極の間に埋め込まれていますが、バッテリーの安全性能を確保するために作業エンジニアリング中に正極と負極を分離することもできます。セラミックダイヤフラムは、耐有機溶剤性、電解液との良好な相溶性、高い吸収速度、高い引張強度、高い突刺強度、低い熱収縮率、高いフィルム破断強度を備えているため、サイクル性能と安全性能を考慮して、国内外のダイヤフラムメーカーがセラミックダイヤフラムを目指しています。温度、低い熱収縮率。

BYDのリチウム電池用セパレータの発明特許「電池用セパレータとその製造方法」(CN201310750910.7)によると、無機コーティングスラリー中の水の質量比は76%、固形物セラミックスコーティング粒子と樹脂の質量比は76%である。材料はそれぞれ 22% と 2% です。したがって、ボーマイトに代表されるセラミックス被覆粒子は、リチウム電池被覆材の最も重要な原料である。

需要面では、研究機関EVTankとアイヴィー経済研究所が共同発表した「中国リチウムイオン電池セパレーター産業白書（2020年）」によると、2019年の中国のリチウム電池コーティング材出荷量は1万5500トン、そのうち、無機塗料が14,000トン出荷され、90.32％を占め、有機塗料、有機と無機の組み合わせは10％未満で、無機塗料が市場の塗料の主流となっています。無機コーティング材の量は2025年には40億4000万平方メートルに達すると予想されている。

供給面では、国内磁器原料の拡大に伴い、国内セラミックコーティング分野は大小2つの競争パターンを示すことになる。リチウム電池コーティング材料の分野では、統計によると、2019年のドイツのNabaltecAGリチウム電池はビューマイト出荷量48万トンで37％を占め、世界1位、ワンストーンパスリチウム電池はビューマイト出荷量47万トンとなっている。トンで36％を占め、世界第2位、国内第1位です。

自動車排気吸着分野

近年、中国政府は環境保護問題を重視しており、大型ディーゼルの排ガス規制が強化され、その規制はますます厳しくなっている。次期国家 VI 基準は、世界で最も厳しい排出基準の 1 つであると考えられています。

• セルラーセラミックス

ハニカムセラミックは、内部に多数のハニカム通路を備えたセラミック材料です。気泡セラミックには、高い細孔密度と大きな比表面積という利点があります。熱膨張係数が低く、熱安定性が良好。耐酸性、耐アルカリ性、有機溶剤性、良好な耐食性。優れた機械的特性。主に触媒の活性化や触媒添加剤の担持作業用の触媒装置の担体として使用されており、排ガス処理触媒としては最も一般的な触媒担体です。

国内のハニカムセラミック市場は依然として外国企業によって独占されており、国内の事業分野には輸入代替の余地が広い。

• アルミナ

高純度アルミナ粉末は白色の微粉末で、粒子サイズが均一で、分散が容易で、化学的特性が安定し、高温での収縮性能が適度で、焼結性能が良好です。自動車の排気ガスセラミックコーティングに広く使用されています。自動車排気触媒の活性成分は通常、一定の分散、熱安定性、機械的強度を確保するためにコーティングに付着させる必要があります。各種結晶型アルミナの中でもγ-Al2O3は吸着力が強く、比表面積が大きいため、現在主にコーティング材として使用されています。

国家6基準では、ディーゼル車のDOCとDPFがアルミナコーティングに使用されることになっており、セルラーセラミック協会の統計によると、コーティング量はセルラーセラミックの体積の約20％と計算されます。ディーゼル車では約120g/Lで使用可能。 2022 年の国内アルミナ需要は 11,171 トンに達すると推定されています。

この記事は iacechina.com から取得したものです