ニューカーバイド・セラミックス：超音速機用コーティングの新たな人気商品
超音速輸送（SST）とは、音速よりも速く移動する輸送のこと。一般に、マッハ数が1未満の輸送機は亜音速、マッハ数が1.2以上の輸送機は超音速、マッハ数が5以上の輸送機は極超音速である。超音速旅客機は、通常の民間航空機よりも高速かつ高効率であることから、多くの航空機メーカーの注目と関心を集め、新世代の超音速旅客機の研究が止まることはない。しかし、経済的で信頼性の高い新世代の超音速旅客機の開発は、現在の航空技術では多くの課題に遭遇することになる。
超音速機の研究状況
* 熱
航空機は、空力加熱、エンジンガス、宇宙空間での太陽からの放射によって高温にさらされることがわかっている。空中を長時間飛行する航空機の場合、飛行速度は音速の3倍に達するものもある。使用される高温材料は、良好な高温持続強度、クリープ強度、熱疲労強度、高い耐酸化性、空気中および腐食媒体中での耐熱腐食性を有し、高温下での長期的な構造安定性を有していなければならない。従って、航空技術の分野に関わる高温環境は、高温と高速気流と粒子洗掘の両方を含むことが多い。
例えば、マッハ5の速度で飛行する航空機の表面には2000～3000℃の高温が存在し、航空機のコーティング材料は高温分解で損傷しやすいことが分かっている。超音速機を開発するためには、航空機表面の熱蓄積の問題を解決しなければならない。今回、科学者たちは、超音速航空機のスピードアップに役立つ新しいカーボン・セラミック・コーティングを発見した。
* コーティング材料
航空機が超音速で飛行するためには、その表面部品を高圧による空気の損傷や摩擦による構造部品の損傷から保護する必要がある。現在、胴体の表面を覆うコーティングには、高温でも安定した状態を保つことができる非金属の固体材料であるUHTCが使用されています。しかし、これらの従来のセラミックコーティング材は、耐熱性には有効だが劣化しやすい。
二ホウ化ジルコニウムは、高温での酸化に強く、密度が低く安価であるため、航空機の高温コーティング材として広く使用されている。しかし、二ホウ化ジルコニウムに含まれるホウ素は、ホウ素原子が酸化するとさらに溶解を促進し、悲惨な結果を招く可能性があるという致命的な欠点がある。
新しい炭化物セラミックを動力源とする超音速航空機
研究によると、十分に高温にさらされた材料は分子鎖が緩んで脱落し、高速で粒子と一緒に洗浄されると「アブレーション」が起こる可能性がある。
周知のように、カーバイドは現在最も耐熱性の高い材料であり、一般式MxCyで表される。Mの性質によって、炭化物は金属炭化物と非金属金属炭化物に大別される。炭化物セラミックスは、炭化ケイ素、炭化ジルコニウム、炭化ホウ素、炭化タングステンなどの最も一般的に使用される構造セラミックスである。高融点、高硬度、良好な化学的安定性を持つ上記のセラミック材料は、国民経済の多くの分野で使用されている。
新しく開発された炭化物コーティング材料は、コーティングに超強度と耐酸化性を付与することができ、高温環境下でのアブレーションや酸化に耐えることができる。炭素繊維強化炭素基複合材料にセラミックスを導入することは、耐衝撃性を向上させる効果的な方法であることが証明された。
ジルコニウム、チタン、炭素、ホウ素の三元合金である新しいコーティングは、反応性溶融浸透として知られるプロセスによって炭素複合材料に蒸着される。他の炭化物セラミックスと同様の特性を持つが、ホウ素濃度が比較的低いためアブレーションが起こりにくく、炭素構造により熱衝撃で材料が引き裂かれるのを防ぐことができる。実験結果によると、この炭化物コーティングは2000～3000℃の条件下でより優れた耐アブレーション性を示した。
新しい炭化物セラミックコーティングの応用の見通し
現在、この新しいコーティングは航空宇宙分野で広く使用されている。宇宙船は大気圏を通過する際に極端な温度の危険にさらされる可能性があるため、従来の材料よりも安全である。
ボーイングのデニス最高経営責任者（CEO）は、新しい超音速旅客機は今後10年間で空を飛び、移動時間を700％も短縮できるだろうと述べた。現在、民間航空機は一般的に亜音速で飛行しており、民間の超音速旅客機が実現すれば、世界的な移動時間が大幅に短縮され、人々のコミュニケーションが容易になる。超音速旅客機はまだ私たちの生活に広く普及していないが、このコーティング材料の発見が、超音速旅客機の早期実用化を後押しすることは間違いない！
