炭化ケイ素繊維
合成繊維

シリコンカーバイド繊維は、直径5 [1]から150 [2]マイクロメートルの繊維で、主にシリコンカーバイド分子で構成されています。製造工程によっては、シリコンや炭素が過剰に含まれたり、少量の酸素が含まれていたりすることがあります。有機繊維や一部のセラミック繊維と比較して、シリコンカーバイド繊維は高剛性、[2] 、高引張強度、[2]、軽量、高耐薬品性、高耐熱性[疑わしい-議論が必要] 、低熱膨張といった特徴があります。(参考文献) これらの特性から、シリコンカーバイド繊維は次世代ガスタービンの高温部部品、例えばGE (ゼネラル・エレクトリック) のLEAPエンジン[3] の材料として選ばれています。[4]

製造

シリコンカーバイド繊維の製造には、いくつかの製造方法があります。[5] [6]最も長い歴史を持つ方法は、1975年に発明され、矢島法と呼ばれています。[7]では、プレセラミック液体ポリマーを紡糸口金を通して注入し、固化したグリーン（未焼成）繊維を製造します。このグリーン繊維は、高温炉で長時間処理してポリマーを所望のSiC化学組成に変換するなど、一連の処理工程を経ます。これらの繊維は通常、直径20ミクロン未満で[1]、300本以上の繊維を撚ったトウとして供給されます。日本カーボン（日本）、宇部興産（日本）、NGSコンソーシアム（米国）など、いくつかの企業がこの技術のバリエーションを採用しています[要出典]。

2つ目のアプローチは、化学気相堆積（CVD）を利用して、異種材料からなる中心コアが高温反応炉を通過する際にシリコンカーバイドを形成するというものです。40年以上前にTextron社[1]（現在はマサチューセッツ州に拠点を置くSpecialty Materials Inc社[8]）によって開発されたこの方法では、気相CVD反応によって得られるシリコンカーバイド堆積物が、柱状の微細構造を持つ炭素コア上に堆積します。[1] SCS製品ファミリーとして販売されているこの繊維は、直径が比較的大きく、約80～140ミクロンです。[1]

レーザー駆動CVD（LCVD）は、複数のレーザービームをエネルギー源として気相反応を誘発する関連手法ですが、大きな違いは、ファイバーがコア構造上にではなく、形成されたままの状態で成長する点です。[9] [10] [11] LCVDファイバーは、各レーザービームが堆積されたファイバーに対応するように平行に配列され、成長速度は100ミクロンから1ミリメートル/秒以上、ファイバー径は20ミクロンから80ミクロンです。ニューヨーク州北部に拠点を置くFree Form Fibers社は、過去10年間にわたりLCVD技術を開発してきました。

使用法

生産される炭化ケイ素繊維のほぼ全ては、セラミック複合材料の繊維強化材として使用されています。その大部分は、アルミニウム、チタン、モリブデンなどの金属基複合材料の製造に使用されています。 [2]また、航空宇宙分野で使用される高温複合材料であるSiC/SiCなどの様々なセラミック基複合材料の製造にも使用できます。 [12]

シリコンカーバイド（SiC）繊維は、航空宇宙、自動車、防衛分野で、エンジン部品や装甲などの高強度・耐熱部品に使用されています。[13]タービンや原子炉の複合材を強化し、医療機器を改良し、優れた熱伝導性で電子機器の性能を向上させます。[14] [15]

参照

参考文献

  1. ^ abcde 複合材料ハンドブック（CMH-17）第5巻、セラミックマトリックス複合材料、SAE International発行、2017年（第3.2章より）https://www.library.ucdavis.edu/wp-content/uploads/2016/12/HDBK17-5.pdf
  2. ^ abcd https://www.library.ucdavis.edu/wp-content/uploads/2017/03/HDBK17-3F.pdf セクション2.4.1.6
  3. ^ 「セラミックマトリックス複合材がLEAPジェットエンジンで飛行 | ORNL」Ornl.gov. 2017年1月3日. 2018年3月30日閲覧。
  4. ^ LEAPエンジンの合弁メーカー（GEとSaffran Aircraft Enginesの合弁会社）であるCFMのウェブサイト、https://www.cfmaeroengines.com/engines/leap/
  5. ^ Heiss, Christian; Travitzky, Nahum; Greil, Peter (2012-07-03). 「シリコンカーバイドニット生地の製造」. Advanced Engineering Materials . 14 (3): 162– 165. doi :10.1002/adem.201100192. S2CID  135924275.
  6. ^ 「シリコンカーバイド（SiC）材料特性」Accuratus.com . 2018年3月30日閲覧。
  7. ^ US 4,052,430、矢島誠志、林城三郎、大森守、「ケイ素と炭素を主骨格成分とする有機ケイ素高分子量化合物の製造方法及び該有機ケイ素高分子量化合物」、1977年10月4日発行 
  8. ^ 「Specialty Materials, Inc. - History」. Specmaterials.com . 2018年3月30日閲覧。
  9. ^ Maxwell, James L.; Chavez, Craig A.; Springer, Robert W.; Maskaly, Karlene R.; Goodin, Dan (2007). 「マイクロボルテックスフロー高圧レーザー化学蒸着法による超硬質BxCy繊維の作製」. Diamond and Related Materials . 16 (8): 1557– 1564. doi :10.1016/j.diamond.2006.12.059.
  10. ^ Wallenberger, Frederick T.; Nordine, Paul C.; Boman, Mats (1994). 「気相から直接得られる無機繊維と微細構造」.複合材料科学技術. 51 (2): 193– 212. doi :10.1016/0266-3538(94)90190-2.
  11. ^ Maxwell, James L.; Boman, Mats; Springer, Robert W.; Narayan, Jaikumar; Gnanavelu, Saiprasanna (2006). 「1-アルケン、1-アルキン、およびベンゼンからの炭素繊維の高圧レーザー化学蒸着法」アメリカ化学会誌. 128 (13): 4405– 4413. doi :10.1021/ja057666j. PMID  16569018.
  12. ^ 「炭化ケイ素（SiC）繊維強化SiCマトリックス複合材料 | T2ポータル」. technology.nasa.gov . 2022年3月4日閲覧。
  13. ^ US 20120088088A1 
  14. ^ Ross, Lisa (2024年8月8日). 「シリコンカーバイドの用途とは？」Advanced Ceramic Materials . 2024年9月23日閲覧。
  15. ^ Agarwal, AK (1996). 「SiCエレクトロニクス」.国際電子デバイス会議. テクニカルダイジェスト. pp.  225– 230. doi :10.1109/IEDM.1996.553573. ISBN 0-7803-3393-4。
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