セラミックマトリックス複合材

材料科学 において、セラミック マトリックス複合材( CMC ) は複合材料のサブグループであり、セラミックのサブグループです。セラミックマトリックスに埋め込まれたセラミック繊維で構成されています。繊維とマトリックスはどちらも、炭素や炭素繊維を含むあらゆるセラミック材料で構成できます。

CMC を開発する動機は、アルミナ、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、ジルコニアなどの従来の工業用セラミックに伴う問題を克服することでした。これらのセラミックは、小さな欠陥や傷によって亀裂が生じるため、機械的または熱機械的負荷を受けると簡単に破損します。ガラスと同様に、亀裂に対する耐性は非常に低いです。

耐亀裂性や破壊靭性を高めるために、粒子（いわゆる単結晶ウィスカーまたはプレートレット）がマトリックスに埋め込まれました。しかし、改善効果は限られており、これらの製品は一部のセラミック切削工具にしか適用されていませんでした。

長いマルチストランド繊維の統合により、亀裂耐性、伸び、熱衝撃耐性が大幅に向上し、いくつかの新しい用途が生まれました。セラミックマトリックス複合材 (CMC) に使用される強化材は、セラミックマトリックスの固有の高強度とヤング率を活用しながら、複合材料システムの破壊靭性を高めるのに役立ちます。

最も一般的な強化材は、連続長のセラミック繊維であり、その弾性係数は、通常、マトリックスよりいくらか低い。この繊維の機能的役割は、(1) マトリックスを通るマイクロクラックの進行に対する CMC 応力を増加させ、それによってクラック伝播中に費やされるエネルギーを増加させること、そして (2) より高い応力 (比例限界応力、PLS) で CMC 全体に厚さ方向のクラックが形成され始めたときに、破断することなくこれらのクラックを橋渡しし、それによって CMC に高い極限引張強度 (UTS) を提供することである。このように、セラミック繊維強化材は、複合構造のクラック伝播に対する初期の抵抗を増加させるだけでなく、モノリシック セラミックスの特徴である突然の脆性破壊を CMC が回避できるようにします。

この動作は、ポリマー マトリックス複合材(PMC) や金属マトリックス複合材(MMC)内のセラミック繊維の動作とは異なります。これらのマトリックスでは、破壊ひずみ能力が高いため、通常、繊維がマトリックスより先に破損します。

CMC には、炭素(C)、特殊なシリコンカーバイド(SiC)、アルミナ( Al ₂ O ₃ )、ムライト( Al ₂ O ₃ −SiO ₂ ) 繊維が最も一般的に使用されています。マトリックス材料は通常同じで、C、SiC、アルミナ、ムライトです。SiC や窒化ケイ素などの特定のセラミックシステムでは、異常な粒子成長のプロセスにより、より細かい丸い粒子のマトリックス内に細長い大きな粒子を示す微細構造が生じることがあります。AGG由来の微細構造は、細長い粒子による亀裂の橋渡しと亀裂の偏向により強化され、その場で生成された繊維強化材と見なすことができます。最近、超高温セラミック( UHTC) が、超高温セラミックマトリックス複合材料(UHTCMC) または超高温セラミック複合材料 (UHTCC)と呼ばれる新しいクラスの CMC のセラミックマトリックスとして研究されました。 ^{[1] [2] [3] [4] [5]}

一般的に、CMC の名前には、繊維の種類とマトリックスの種類の組み合わせが含まれます。たとえば、C/C は炭素繊維強化カーボン ( carbon/carbon )を表し、 C/SiCは炭素繊維強化シリコンカーバイドを表します。製造プロセスが含まれる場合もあり、液体ポリマー浸透 (LPI) プロセス (以下を参照)で製造された C/SiC 複合材料はLPI-C/SiCと略されます。

市販されている主要な CMC は、C/C、C/SiC、SiC/SiC、Al ₂ O ₃ /Al ₂ O ₃です。これらは、以下に詳しく説明する以下の特性において従来のセラミックと異なります。

• 破断伸び最大1%
• 破壊靭性が大幅に向上
• 極めて優れた耐熱衝撃性
• 動的負荷能力の向上
• 繊維の配向に応じた異方性特性

製造プロセスは通常、次の 3 つのステップで構成されます。

1. 希望する部品の形状に繊維を積層して固定する
2. マトリックス材料の浸透
3. 最終的な機械加工、および必要に応じて、固有の多孔性のコーティングや含浸などの追加処理。

最初のステップと最後のステップは、すべての CMC でほぼ同じです。ステップ 1 では、ロービングと呼ばれることが多い繊維が、織物のレイアップ、フィラメント ワインディング、編組、結び目など、繊維強化プラスチック材料で使用される技術を使用して配置および固定されます。この手順の結果は、繊維プリフォームまたは単にプリフォームと呼ばれます。

2 番目のステップでは、5 つの異なる手順を使用して、プリフォームの繊維の間にセラミック マトリックスを充填します。

1. ガス混合物からの沈着
2. プレセラミックポリマーの熱分解
3. 元素の化学反応
4. 1,000～1,200℃（1,830～2,190℉）の比較的低温での焼結
5. セラミック粉末の電気泳動沈着

手順 1、2、3 は非酸化物 CMC に適用され、4 番目は酸化物 CMC に使用されます。これらの手順の組み合わせも実施されています。5 番目の手順は、工業プロセスではまだ確立されていません。すべての手順にはサブバリエーションがあり、技術的な詳細が異なります。すべての手順で多孔質材料が生成されます。

機械加工の 3 番目で最後のステップである、研削、穴あけ、ラッピング、またはフライス加工は、ダイヤモンド工具を使用して行う必要があります。CMC は、ウォーター ジェット、レーザー、または超音波加工で処理することもできます。

CMC のセラミック繊維は、従来のセラミックスと同様に多結晶構造をとることができます。また、非晶質であったり、有機前駆体の熱分解によって化学組成が不均一に なったりすることもあります。CMC の製造には高いプロセス温度が必要なため、有機繊維、金属繊維、ガラス繊維は使用できません。アルミナ、ムライト、SiC、ジルコニア、カーボンなどの繊維など、1,000 °C (1,800 °F) を超える温度で安定する繊維のみを使用できます。非晶質 SiC 繊維の伸び率は 2% を超えており、従来のセラミック材料 (0.05 ～ 0.10%) よりもはるかに高くなっています。^[6] SiC 繊維のこの特性の理由は、そのほとんどに酸素、チタン、アルミニウムなどの追加元素が含まれており、3 GPa を超える引張強度が得られるためです。これらの強化された弾性特性は、小さな曲げ半径が不可欠な繊維製造におけるさまざまな 3 次元繊維配置 (図の例を参照) に必要です。 ^[7]

化学蒸着法（CVD）は、この目的に適しています。繊維プリフォームが存在する場合、CVDは繊維と個々のフィラメントの間で行われるため、化学蒸着浸透法（CVI）と呼ばれます。1つの例はC/C複合材料の製造です。C繊維プリフォームは、圧力約100 kPa以下、温度1000 °C以上のアルゴンと炭化水素ガス（メタン、プロパンなど）の混合物にさらされます。ガスは分解し、繊維上および繊維間に炭素を堆積します。もう1つの例はシリコンカーバイドの堆積で、これは通常、水素とメチルトリクロロシラン（MTS、CH ₃ SiCl ₃ 、シリコン製造でも一般的）の混合物から行われます。特定の条件下では、このガス混合物は、プリフォーム内の高温表面に微細で結晶性のシリコンカーバイドを堆積します。^{[8] [9]}

この CVI 手順では、反応物質がプリフォーム内部に侵入するのを外部への堆積によって阻止するため、物体の多孔度は約 10 ～ 15% になります。

炭化水素ポリマーは熱分解中に収縮し、ガスを放出すると非晶質のガラスのような構造の炭素を形成しますが、追加の熱処理によってグラファイトのような構造に変更できます。一部の炭素原子がケイ素原子に置き換えられたプレセラミックポリマーと呼ばれる他の特殊なポリマー、いわゆるポリカーボシランは、多かれ少なかれ化学量論的組成の非晶質炭化ケイ素をもたらします。このような炭化ケイ素、酸化炭化ケイ素、炭窒化ケイ素、酸化窒化ケイ素のさまざまな前駆体がすでに存在しており、ポリマー由来のセラミックスの製造のためのより多くのプレセラミックポリマーが開発されています。^[10] CMC材料を製造するには、繊維プリフォームに選択したポリマーを浸透させます。その後の硬化と熱分解により、ほとんどの用途には望ましくない高度に多孔質のマトリックスが生成されます。最終的な目的の品質が達成されるまで、ポリマー浸透と熱分解のさらなるサイクルが実行されます。通常、5〜8サイクルが必要です。^{[11] [12] [13]}

このプロセスは、液体ポリマー浸透(LPI) またはポリマー浸透熱分解(PIP) と呼ばれます。ここでも、ポリマーの収縮により、約 15% の多孔度が一般的です。多孔度はサイクルごとに減少します。

この方法では、繊維間にある 1 つの材料が 2 番目の材料と反応してセラミック マトリックスを形成します。従来のセラミックの一部は化学反応によっても製造されます。たとえば、反応結合シリコン窒化物(RBSN) は、シリコン粉末と窒素の反応によって生成され、多孔質炭素はシリコンと反応して反応結合シリコンカーバイド(シリコン相の介在物を含むシリコンカーバイド) を形成します。セラミックブレーキ ディスクの製造に導入された CMC 製造の一例は、シリコンと C/C の多孔質プリフォームの反応です。 ^[14]プロセス温度は 1,414 °C (2,577 °F) 以上で、これはシリコンの融点を超えており、プロセス条件は、C/C プリフォームの炭素繊維がほぼ完全に機械的特性を保持するように制御されます。このプロセスは、液体シリコン浸透(LSI) と呼ばれます。C/C から出発するため、この材料はC/C-SiCと略されることもあります。このプロセスで生成される材料の多孔度は約 3% と非常に低くなります。

このプロセスは、酸化物繊維/酸化物マトリックス CMC 材料の製造に使用されます。ほとんどのセラミック繊維は、1,600 °C (2,910 °F) を超える通常の焼結温度に耐えられないため、酸化物繊維のプリフォームに特殊な前駆体液を浸透させるために使用されます。これらの前駆体により、1000～1200 °C の温度で焼結、つまりセラミック形成プロセスが可能になります。たとえば、アルミナ粉末と、液体テトラエチルオルトシリケート(Si 供与体として) およびアルミニウムブチレート(Al 供与体として) の混合物がベースになっており、ムライトマトリックスが生成されます。ゾルゲルプロセス化学などの他の技術も使用されます。このプロセスで得られる CMC は、通常、約 20% の高い多孔度を持ちます。^{[15] [16]}

電気泳動法では、特殊な液体に分散した電荷を帯びた粒子が電界を通って、反対の電荷極性を持つプリフォームに運ばれます。このプロセスはまだ開発中であり、産業的には使用されていません。^{[17] [18]}ここでも、ある程度の多孔性が残ることが予想されます。

上述の高い破壊靭性または亀裂抵抗は、次のメカニズムの結果です。荷重を受けると、セラミック マトリックスは、他のセラミック材料と同様に、約 0.05% の伸びで亀裂が生じます。CMC では、埋め込まれた繊維がこれらの亀裂を橋渡しします (図を参照)。このメカニズムは、マトリックスが繊維に沿ってスライドできる場合にのみ機能します。つまり、繊維とマトリックスの間には弱い結合があるはずです。強い結合には、亀裂を橋渡しする繊維の非常に高い伸び能力が必要であり、従来のセラミックと同様に脆性破壊を引き起こします。高い亀裂抵抗を持つ CMC 材料の製造には、繊維とマトリックス間のこの結合を弱めるステップが必要です。これは、繊維上に熱分解炭素または窒化ホウ素の薄い層を堆積させることによって実現されます。これにより、繊維/マトリックス界面の結合が弱まり、この記事の冒頭のSEM画像に示すように、亀裂表面で繊維が引き抜かれます。酸化物 CMC では、マトリックスの高い多孔性は、弱い結合を確立するのに十分です。

繊維界面の影響と品質は、機械的特性を通じて評価できます。亀裂抵抗の測定は、いわゆるシングルエッジノッチベンド (SENB) テストで、ノッチ付き試験片 (図を参照) を使用して実施しました。破壊力学では、測定データ (力、形状、亀裂表面) が正規化され、いわゆる応力集中係数(SIF)、K _Icが得られます。亀裂表面は複雑なため (この記事の上部の図を参照)、CMC 材料の実際の亀裂表面領域を決定することはできません。したがって、測定では、最初のノッチを亀裂表面として使用し、図に示す正式な SIF を生成します。これには、異なるサンプルを比較するための同一の形状が必要です。したがって、これらの曲線の下の領域は、亀裂の先端がサンプルを通過するために必要なエネルギーの相対的な指標となります (力と経路長の積がエネルギーになります)。最大値は、亀裂がサンプルを通過するために必要な負荷レベルを示します。従来の SiSiC セラミックのサンプルと比較すると、次の 2 つの点が観察されます。

• テストされたすべての CMC 材料では、材料全体に亀裂を伝播させるために、最大で数桁多いエネルギーが必要です。
• 亀裂伝播に必要な力は、CMC の種類によって異なります。

表中の CVI、LPI、および LSI は、C/SiC 材料の製造プロセスを示しています。酸化物 CMC および SiSiC のデータは、製造元のデータシートから取得されています。SiSiC およびAl ₂ O ₃の引張強度は、これらのセラミックについては一般に曲げ強度データしか入手できないため、破断伸びおよびヤング率の測定値から計算されました。表には平均値が示されていますが、1 つの製造ルート内であっても、大きな差が生じる可能性があります。

CMC の引張試験では、通常、非線形の応力 - ひずみ曲線が示され、材料が塑性変形しているように見えます。この効果は、荷重の増加に伴って形成され架橋される微小亀裂によって引き起こされるため、準塑性と呼ばれます。荷重を支える繊維のヤング率は一般にマトリックスのヤング率よりも低いため、曲線の傾斜は荷重の増加とともに減少します。

曲げ試験の曲線は、上に示した亀裂抵抗測定の曲線と似ています。

CMC の曲げおよび引張データを評価するには、次の機能が不可欠です。

• マトリックス含有量が低い（ゼロまで）CMC 材料は、引張強度は高い（繊維の引張強度に近い）が、曲げ強度は低くなります。
• 繊維含有量が低い（ゼロまで）CMC 材料は曲げ強度が高く（モノリシック セラミックの強度に近い）、引張荷重下では 0.05% を超える伸びはありません。

CMC の主な品質基準は、亀裂耐性挙動または破壊靭性です。

CMCは非常に高温でも動作できますが、特定の高温用途の範囲内では、1000℃付近でクリープ変形が発生します。 ^[20]クリープは、有効繊維ひずみ速度と有効マトリックスひずみ速度の間のクリープ不一致比（CMR）に応じて、マトリックスまたは繊維のいずれかに作用します。ひずみ速度が小さい部品が荷重を受け、クリープの影響を受けやすくなります。

3 つの主なクリープ段階は、クリープ不一致比によって決まります。一次クリープでは、内部応力が伝達され、二次クリープ段階と同様に CMR が 1 に近づきます。破損が発生する三次クリープ段階は、繊維クリープ (繊維の破断により破損が発生する) またはマトリックス クリープ (マトリックスの亀裂につながる) によって決まります。通常、マトリックス クリープ強度は繊維よりも劣るため、繊維が荷重を支えます。^[21]ただし、繊維が弱い領域ではマトリックスの亀裂が発生する可能性があり、酸化雰囲気で酸化されて材料が弱くなります。温度、印加応力、欠陥密度が増加すると、クリープ変形が大きくなり、破損が早まります。

複合材料のひずみ速度を求めるには、混合則を適用することができます。 ^[22]粒子の場合、各成分の断面積分率とクリープ応答の積を単純に合計することで、複合材料の総クリープ応答を決定できます。繊維の場合、成分のクリープ応答の合計を断面積分率で割ることで、総クリープ応答を決定できます。

微粒子:${\displaystyle \epsilon_{cr}=\sum_{i=1}M_{i}\epsilon_{cr,i}}$

繊維:${\displaystyle \epsilon _{cr}=(\sum _{i=1}{\frac {M_{i}}{\epsilon _{cr,i}}})^{-1}}$

ここで、はクリープ応答であり、は構成断面積分率です。 ${\displaystyle \epsilon_{cr}}$${\displaystyle M_{i}}$

多くの CMC コンポーネントでは、繊維は 2 次元 (2D) に積み重ねられた平織りまたは朱子織りの 織物として配置されています。したがって、結果として得られる材料は異方性、より具体的には直交異方性です。層間の亀裂は繊維によって橋渡しされません。したがって、これらの材料の層間せん断強度(ILS) と 2D 繊維配向に垂直な強度は低くなります。特定の機械的負荷がかかると、簡単に層間剥離が発生する可能性があります。3 次元繊維構造により、この状況を改善できます (上記の顕微鏡写真を参照)。

表に示されている圧縮強度は、2000 MPa を超える値が一般的である従来のセラミックの圧縮強度よりも低くなっています。これは多孔性によるものです。

複合構造により、高い動的負荷に耐えることができます。いわゆる低サイクル疲労(LCF) または高サイクル疲労 (HCF) テストでは、材料は引張および圧縮 (LCF) または引張のみ (HCF) の負荷の下で周期的な負荷を受けます。初期応力が高いほど、寿命は短くなり、破断までのサイクル数は少なくなります。強度の 80% の初期負荷で、SiC/SiC サンプルは約 800 万サイクルに耐えました (図を参照)。

層間亀裂によってサンプルの厚さが増加するため、布地の平面に対して垂直に測定するとポアソン 比に異常が見られます。

複合材料の熱特性と電気特性は、その構成成分、すなわち繊維、マトリックス、気孔、およびそれらの組成によって決まります。繊維の配向により異方性データが得られます。酸化物 CMC は非常に優れた電気絶縁体であり、多孔性が高いため、従来の酸化物セラミックよりもはるかに優れた断熱性を備えています。

炭素繊維を使用すると、繊維が互いに接触し、電圧源と接触する場合、電気伝導性が向上します。炭化ケイ素マトリックスは優れた熱伝導体です。電気的には半導体であるため、温度が上昇すると抵抗が減少します。(多)結晶 SiC と比較すると、非晶質 SiC 繊維は熱と電気の伝導性が比較的劣っています。

表のコメント: (p) と (v) はそれぞれ 2D 繊維構造の繊維方向に平行および垂直のデータを示します。LSI 材料は、その低多孔性により最も高い熱伝導率を持ち、ブレーキディスクに使用する場合に有利です。これらのデータは、製造プロセスの詳細に応じてばらつきがあります。^[23]

従来のセラミックは、ヤング率が高く、伸び率が低いため、熱応力に非常に敏感です。温度差と熱伝導率の低さにより、局所的に伸び率に差が生じ、ヤング率が高いことと相まって高い応力が発生します。その結果、ひび割れ、破裂、脆性破壊が発生します。CMC では、繊維がひび割れを橋渡しするため、マトリックスが局所的にひび割れていても、コンポーネントにマクロ的な損傷は見られません。ブレーキ ディスクに CMC を使用すると、極端な熱衝撃条件下でのセラミック複合材料の有効性が実証されます。

CMC の腐食挙動に関するデータは、1000 °C を超える温度での酸化を除いてほとんどありません。これらの特性は、繊維とマトリックスなどの成分によって決まります。セラミック材料は一般に腐食に対して非常に安定しています。さまざまな焼結添加剤、混合物、ガラス相、多孔性を備えた幅広い製造技術が、腐食試験の結果に重要です。不純物が少なく、化学量論が正確であれば、腐食が少なくなります。焼結助剤として頻繁に使用される非晶質構造と非セラミック化学物質は、腐食攻撃の起点となります。^{[24] [25]}

アルミナ

純粋なアルミナは、ほとんどの化学物質に対して優れた耐腐食性を示します。粒界の非晶質ガラスとシリカ相は、高濃度の酸と塩基での腐食速度を決定し、高温でクリープを引き起こします。これらの特性により、アルミナの使用は制限されます。溶融金属の場合、アルミナは金とプラチナにのみ使用されます。

アルミナ繊維

これらの繊維はアルミナと同様の腐食特性を示しますが、市販の繊維は純度があまり高くないため、耐性が低くなります。1000 °C を超える温度ではクリープが発生するため、酸化物 CMC の用途は限られています。

炭素

炭素の最も顕著な腐食は、約 500 °C (932 °F) 以上の酸素の存在下で発生します。炭素は燃焼して二酸化炭素や一酸化炭素を形成します。また、濃硝酸などの強力な酸化剤によって酸化されます。溶融金属では溶解して金属炭化物を形成します。炭素繊維の腐食挙動は炭素と変わりません。

シリコンカーバイド

純粋なシリコンカーバイドは、最も耐食性の高い材料の 1 つです。強塩基、約 800 °C (1,470 °F) 以上の酸素、および溶融金属のみがシリコンカーバイドと反応して炭化物とケイ化物を形成します。酸素との反応によりSiO ₂とCO ₂が形成され、 SiO ₂の表面層がその後の酸化を遅らせます (受動酸化)。約 1,600 °C (2,910 °F) 以上の温度と低酸素分圧により、いわゆる能動酸化が起こり、CO、CO _2、および気体 SiO が形成されて SiC が急速に失われます。SiC マトリックスが CVI 以外で生成された場合、耐食性はそれほど良くありません。これは、アモルファス LPI の多孔性と LSI マトリックスの残留シリコンの結果です。

シリコンカーバイド繊維

シリコンカーバイド繊維は有機ポリマーの熱分解によって生成されるため、その腐食特性は LPI マトリックスに含まれるシリコンカーバイドの特性に似ています。したがって、これらの繊維は純粋なシリコンカーバイドよりも塩基や酸化媒体に対して敏感です。

CMC材料は、従来の工業用セラミックスの主な欠点である脆性破壊、低い破壊靭性、限られた耐熱衝撃性を克服しています。そのため、CMC材料は、高温（金属の能力を超える）での信頼性と耐腐食性および耐摩耗性が求められる分野で使用されています。^[26]これには以下が含まれます。

• 宇宙船用の熱シールドシステムは、高温、熱衝撃条件、大きな振動負荷が発生する再突入段階で必要となります。
• 燃焼室、静翼、排気ミキサー、タービンブレードなどの高温ガスタービンの構成部品。
• バーナー、フレームホルダー、高温ガスダクトのコンポーネントには、酸化物 CMC が使用されています。
• ブレーキ ディスクとブレーキ システム コンポーネントは、極端な熱衝撃を受けます (熱衝撃は、光る材料の一部を水に投げ込むよりも大きい)。
• 高い耐腐食性と耐摩耗性が求められる重荷重下のスライドベアリング用部品。

上記に加えて、CMC は、従来のセラミックを使用するアプリケーションや、腐食や高温のために 金属部品の寿命が限られているアプリケーションにも使用できます。

宇宙船の再突入段階では、熱シールド システムは 1,500 °C (2,730 °F) を超える温度に数分間さらされます。このような状況で大きな損傷を受けずに持ちこたえられるのはセラミック材料のみであり、セラミックの中でも CMC のみが熱衝撃に十分対応できます。CMC ベースの熱シールド システムの開発により、次のような利点が期待できます。

• 軽量化
• システムの耐荷重能力の向上
• 複数回の再入場時の再利用性
• CMCフラップシステムによる再突入時の操縦性向上

これらの用途では、高温のため酸化物繊維CMCは使用できない。予想される負荷ではクリープが大きすぎるためである。アモルファス炭化ケイ素繊維は、1,250 °C（2,280 °F）を超える温度では再結晶化により強度が低下する。そのため、これらの用途の開発プログラムでは炭化ケイ素マトリックス（C/SiC）内の炭素繊維が使用される。 1980年代に開始され、1992年に財政上の理由で中止されたESAのヨーロッパプログラムHERMESが最初の成果を生み出した。いくつかのフォローアッププログラムは、 NASA X-38宇宙船のノーズキャップ、前縁、ステアリングフラップの開発、製造、認定に焦点を当てた。 ^{[27] [28]}

^{この開発プログラムにより、C/SiC ボルトとナット[29]}およびフラップのベアリング システムの使用が認定されました。後者は、ドイツのシュトゥットガルトにある DLR で、再突入段階の想定条件 (1,600 °C (2,910 °F)、4トンの荷重、再突入条件と同様の酸素分圧、および 1 秒あたり 4 サイクルの同時ベアリング動作) の下で地上テストされました。合計 5 つの再突入段階がシミュレートされました。^[30] 2 つのステアリング フラップとそのベアリング、ネジ、ナットの設計と製造は、ドイツのアウクスブルクにある MT Aerospace によって、炭素繊維強化シリコン カーバイドを製造するCVIプロセスに基づいて行われました (上記の製造手順を参照)。さらに、炭素繊維の焼損を防ぐための酸化防止システムが開発され、認定されました。フラップの取り付け後、米国テキサス州ヒューストンで NASA によって機械的な地上テストが実施され、成功しました。次のテスト、無人機 X-38 の実際の再突入は、経済的な理由で中止されました。スペース シャトルの 1 つがこの機体を軌道に乗せ、そこから地球に帰還する予定でした。

これらの資格は、この用途にのみ有望でした。高温負荷は再突入ごとに約 20 分しか持続せず、再利用には約 30 サイクルで十分です。ただし、高温ガス環境での産業用途では、数百サイクルの熱負荷と数千時間に及ぶ寿命が必要です。

2009年にESAが開始したプロジェクトである中間実験機（ IXV） ^{[31]は、ヨーロッパ初の揚力体再突入機である。}タレス・アレニア・スペースが開発したIXVは、2014年にギニア湾上空で第4回ベガミッション（VV04）で初飛行する予定だった。40社を超えるヨーロッパ企業がその製造に携わった。機首、前縁、翼下面からなる機体下面の熱保護システムは、ヘラクレス^[32]がセラミックマトリックス複合材（CMC）、カーボン/シリコンカーバイド（C/SiC）を使用して設計・製造した。この場合は、液体シリコン浸透（LSI）プロセス（上記の製造手順を参照）に基づいている。これらの部品は、大気圏再突入時に機体の熱シールドとして機能するはずだった。^[33]

欧州委員会は、 2016年に研究技術開発枠組み計画（H2020）のNMP-19-2015公募の下で研究プロジェクトC3HARMEに資金を提供し、推進システムや熱保護システム（TPS）などの厳しい航空宇宙環境での用途に適したシリコンカーバイド繊維と炭素繊維で強化された新しいクラスの超高温セラミックマトリックス複合材料（UHTCMC）の設計、開発、製造、試験を行った。 [ ^34]

ガスタービンにCMCを使用すると、タービン入口温度を高くすることができ、エンジン効率が向上します。ステータベーンとタービンブレードの形状が複雑なため、開発は最初に燃焼室に重点が置かれました。米国では、高温安定性を強化した特殊なSiC繊維を使用したSiC/SiC製の燃焼器が15,000時間のテストに成功しました。^[35]複数の酸化物層からなる酸化防止コーティングを使用することで、SiCの酸化が大幅に減少しました。^[36]

ゼネラル・エレクトリックとロールス・ロイス社によるエンジン協力では、 F-35統合打撃戦闘機でプラット・アンド・ホイットニーF135に勝てなかったターボファンエンジンであるF136の高温セクションでCMCステータベーンの使用が研究されました。エンジン合弁会社のCFMインターナショナルは、CMCを使用して高温タービンシュラウドを製造しています。^[37]ゼネラル・エレクトリックは、次期GE9Xエンジンの燃焼器ライナー、ノズル、高温タービンシュラウドにCMCを使用しています。^[38]回転部品にかかる応力によりさらなる開発努力が必要になるため、エンジンの冷温セクションの両方でCMC部品を固定用途に使用することも研究されています。一般的に、タービンで使用するCMCの開発は、技術的な問題を減らしてコストを削減するために継続されています。

GEアビエーションは15億ドルの投資と20年間の研究開発を経て、2020年までに年間最大20トン（44,000ポンド）のCMCプリプレグと10トンのシリコンカーバイド繊維を生産することを目指しています。化学蒸着法は、積層可能な繊維テープに大量のコーティングを施すことができ、GEは熱処理により、周期的疲労環境で90％を超える非常に高いシリコン密度の部品を浸透させて鋳造することに成功しました。^[39]

環境バリアコーティング (EBC) は、CMC にバリアを提供し、CMC コンポーネントの表面を通して拡散する酸素やその他の腐食性物質の量を減らします。  

EBC の設計要件: ^{[引用が必要]}

• CMCコンポーネントとの相対係数の一致により、ひび割れの可能性を低減
• 低ボラティリティで安定による腐食/景気後退を最小限に抑える
• 溶融した摂取粒子に対する耐性
• 高温対応
• 高温での相安定性
• CMCおよび追加層との化学的適合性
• 異物による損傷（FOD）や浸食から保護する高い硬度と靭性

通常、EBC でコーティングする場合、CMC コンポーネントへの良好な接着をサポートするためにボンドコートが必要です。NASA は、ムライトベースのコーティングから始めて、さらに 2 ～ 3 層を重ねるスラリーベースの EBC を開発しました。^[40] EBC が CMC 表面を積極的に保護するには、スラリーコートに焼結助剤を追加して、エンジンからの酸素、ガス、溶融堆積物の浸透をブロックする高密度コーティングを作成する必要があります。焼結により高密度コーティングが作成され、コーティングの接着と性能が向上します。

現在、蒸気や溶融堆積物によって引き起こされる剥離、浸食、割れなどの一般的な故障モードに対処するための研究が行われています。溶融堆積物による剥離と割れは、通常、EBCとの反応によって引き起こされ、予期しない微細構造が生成され、その相のCTEの不一致とその相の靭性の低下につながります。蒸気劣化は、EBCとセラミックの間にある熱成長酸化物層の揮発によって引き起こされます。これにより生成された蒸気は、SiCの急速な後退、つまりEBCの劣化につながります。^[41]   EBCの成功は、ジェットエンジンのタービンのガス流におけるCMCコンポーネントの全体的な成功に不可欠です。

EBC の全体的な利点: ^{[引用が必要]}

• CMC部品の寿命を延ばし、ジェットエンジン生産における全体的なコスト削減を可能にします。
• CMCコンポーネントの耐酸化性の向上
• ジェットエンジンからのガス化合物にさらされるCMC部品の耐酸化性を高めます。

1,000 °C (1,800 °F) を超える温度の酸素含有ガスは、金属や炭化ケイ素部品に対して腐食性があります。高い機械的ストレスにさらされないこのような部品は、酸化物 CMC で作ることができ、1,200 °C (2,190 °F) までの温度に耐えることができます。下のギャラリーは、 15,000 時間テストされたクリスプブレッドベーカリーの火炎ホルダーを示しています。この火炎ホルダーはその後、合計 20,000 時間以上稼働しました。^[42]

高温の酸素含有ガスを循環させるフラップや換気装置は、金属部品と同じ形状で製造できます。これらの酸化物CMC部品の寿命は、変形しやすい金属部品よりも数倍長くなります。さらに、焼結炉用の酸化物CMC製リフティングゲートは、26万回以上の開閉サイクルに耐えています。^[43]

レーシングカーや飛行機のディスクブレーキにはカーボン/カーボン（C/C）素材が使用されており、LSIプロセスで製造されたC/SiCブレーキディスクは認定されており、スポーツカー用に市販されています。これらのC/SiCディスクの利点は次のとおりです。

• メーカーは、摩耗が非常に少ないため、通常の走行負荷 300,000 km (190,000 マイル) の自動車で生涯使用できると予測しています。
• 高負荷時でもフェードアウトは発生しません。
• C/C ブレーキ ディスクの場合のように、表面湿度が摩擦係数に与える影響は見られません。
• 道路の塩分などに対する耐腐食性は、金属ディスクよりもはるかに優れています。
• ディスクの質量は金属ディスクのわずか 40% です。つまり、バネ下質量と回転質量が少なくなります。

軽量化により、ショックアブソーバーの応答性、路面追従性、敏捷性、燃費が向上し、運転の快適性が向上します。^[44]

LSI の SiC マトリックスは多孔性が非常に低く、カーボン ファイバーを非常によく保護します。ブレーキ ディスクは、その寿命中に数時間以上 500 °C (932 °F) を超える温度にさらされることはありません。したがって、この用途では酸化は問題になりません。製造コストの削減が、中級車向けのこの用途の成功を左右するでしょう。^{[引用が必要]}

従来の SiC、または場合によってはより安価なSiSiC は、ポンプのスライドベアリングまたはジャーナルベアリングに 25 年以上にわたって使用されてきました。^[45]ポンプで汲み上げられた液体自体がベアリングの潤滑剤となります。事実上あらゆる種類の媒体に対する非常に優れた耐腐食性と、非常に低い摩耗および低い摩擦係数がこの成功の基盤となっています。これらのベアリングは、金属環境で焼きばめされた静的ベアリングと、シャフトに取り付けられた回転シャフトスリーブで構成されています。圧縮応力下では、セラミック静的ベアリングの故障リスクは低いですが、 SiC シャフトスリーブにはこの状況がないため、壁を厚くするか、特別に設計する必要があります。直径が 100～350 mm (3.9～13.8 インチ) のシャフトを備えた大型ポンプでは、ポンプの性能に対する要件の変化 (たとえば、動作中の負荷の変化) により、故障のリスクが高くなります。シャフトスリーブ材料としての SiC/SiC の導入は非常に効果的であることが証明されています。試験装置実験では、SiC/SiC製のシャフトスリーブ、静圧軸受としての焼結SiC、潤滑剤として80℃（176℉）の水を使用した軸受システムの比荷重容量がほぼ3倍になることが示されました。^[46]軸受の比荷重容量は通常W /mm ²で表され、荷重（MPa）、軸受の表面速度（m/s）、摩擦係数の積として計算されます。これは、摩擦による軸受システムの電力損失に等しくなります。

このスライドベアリングのコンセプト、すなわちSiC/SiCシャフトスリーブとSiCベアリングは、1994年以来、数千立方メートルの温水を2,000m（6,600フィート）のレベルまで汲み上げる発電所のボイラー給水ポンプ^[46]や、最大^{40,000m3 （1,400,000立方フィート）を約20m（66フィート）のレベルまで汲み上げる}水道施設や海水淡水化プラントの管状ケーシングポンプ^[47]などの用途に使用されています。

このベアリングシステムは、液体酸素用ポンプ、例えば宇宙ロケットの推力エンジン用酸素ターボポンプでテストされており、次のような結果が得られています。SiCおよびSiC/SiCは液体酸素と互換性があります。フランス規格NF 28-763に従った自動発火テストでは、粉末SiC/SiCで20バールの純酸素中、最高525℃（977℉）の温度で自動発火は観察されませんでした。テストでは、この環境で使用される標準的な金属の半分の摩擦係数と50分の1の摩耗が示されました。^[48]静圧ベアリングシステム（写真参照）は、毎分最大10,000回転の速度、さまざまな負荷、および50サイクルの起動/停止過渡現象で数時間耐えましたが、顕著な摩耗の痕跡はありませんでした。^[49]

• 軍用ジェットエンジンの推力制御フラップ^[50]
• 核融合炉および核分裂炉のコンポーネント^[51]
• 様々な用途の摩擦システム^[52]
• 原子力応用^[53]
• 太陽炉
• 熱処理、高温、はんだ付け器具^{[54] [55] [56] [57]}

• ポリマーマトリックス複合材料
• 金属マトリックス複合材料

• クリーゲスマン、J.編。 (2005)。DKG Technische Keramische Werkstoffe。エラウ: HvB-Verlag。ISBN 978-3-938595-00-8。
• クレンケル、W.編。 （2008年）。セラミックマトリックス複合材料。ワインハイム: ワイリー-VCH。ISBN 978-3-527-31361-7。
• Bansal, NP編 (2005)。『セラミック複合材ハンドブック』。ボストン: Kluwer。ISBN 1-4020-8133-2。
• Bansal, NP & Lamon, J. 編 (2015)。セラミックマトリックス複合材料: 材料、モデリング、テクノロジー。ホーボーケン: Wiley。ISBN 978-1-118-23116-6。