炭化ケイ素ウィスカーが複合材料の強化において果たす役割

無機ウィスカーは、高純度単結晶の成長によって形成されるマイクロからナノスケールの短繊維である。原子結合に近い強度、完全な断面、最小限の構造欠陥、および高アスペクト比を備えたこれらのウィスカーは、ポリマーや複合材料の物理的および機械的特性を向上させるために広く使用されている。

多くの無機材料の中で、ウィスカーを形成する能力を有するものとして、 シリコンカーバイド (SiC) 炭化ケイ素（SiC）は代表的な例として際立っている。共有結合性セラミックスである炭化ケイ素は、高い強度、熱伝導性および電気伝導性、極めて高い硬度、クリープ耐性、摩耗および腐食耐性、酸化耐性、そして優れた熱安定性など、優れた総合特性を示す。

ウィスカー状に形成される場合、SiCは2つの結晶構造を有する： α型 および β型 。β-SiCウィスカーは、ウィスカーの中で最も高い硬度、弾性係数、引張強度および耐熱性を有している。これらのウィスカーはコストパフォーマンスが高く、さまざまなマトリクス材料と容易に適合可能であるため、世界的に広範な研究の対象となっている。

炭化ケイ素ウィスカーの応用

高機能補強材として、 SiCウィスカー は、亀裂偏向、亀裂架橋、ウィスカーロックアウト（抜ける）、ウィスカー破壊などのメカニズムにより、複合材料の靭性と強度を向上させる。現在、広範囲にわたって使用されている。 金属マトリクス , セラミックマトリクス および 樹脂マトリクス 複合材料。

1. 強化金属マトリクス複合材料 (MMCs)

金属マトリクス複合材料は、通常以下の種類の金属をマトリクスとして使用します:

• アルミニウム (Al) および マグネシウム (Mg) : 軽量で比強度が高い。

• チタン (Ti) : 耐熱性があり、構造安定性が優れており、高温性能が非常に高い。

• 鉄 (Fe) および ニッケル (Ni) : 高温耐性があり、磁気透過性に優れ、保磁力が低い。

• 銅 (Cu) , 銀 (Ag) および 金 (Au) ：優れた導電性、耐食性。

SiC ホイッカー強化金属マトリクス複合材料 著しい改善を示しています：

• SiCW/Cu 複合材料 ：引張強度の向上とバランスの取れた特性。

• SiCW/Al 複合材料 ：比剛性、引張強度、摩耗抵抗が大幅に向上し、熱膨張が低減されています。

• SiCWを含むMB15合金 ：硬度と時効速度が増加しました。

2. 強化 セラミックマトリクス複合材料 (CMC)

セラミックスは耐熱性、耐食性に優れ、高温での優れた機械的性能を持つことが知られていますが、その本質的な脆さがより広範な応用を制限しています。この制限を克服するための最も効果的な方法の一つとして、セラミックスにウィスカーを用いた強化方法があります。

一般的な製造方法 炭化ケイ素（SiC）ウィスカー強化セラミックスの製造には、

• 熱圧

• 熱間等方圧プレス法

• 無圧焼結法

• 化学気相浸透法（CVI）

• 火花プラズマ焼結法（SPS）

例示的な応用 :

• SiCW強化Al₂O₃/Ti₃SiC₂ 複合材料：破壊靭性および曲げ強度が向上。

• SiCWで強靭化されたZrB₂ セラミックス：曲げ強度および靭性が増強。

3. 樹脂マトリクス複合材料の強化

高性能 樹脂マトリクス複合材料 は、低密度、高い比弾性率および比強度、疲労抵抗性、振動減衰性、耐食性、低熱膨張係数などの特性により、さまざまな産業分野で注目を集めています。

航空宇宙分野では軽量化が重要です。ただし、樹脂材料を構造部材として使用するには、次のような厳しい性能要求を満たす必要があります。

• 高温耐性

• 強化 さ れ た 力

• 波透過性および吸収性

• 電磁波ステルス

SiCウイスカーは主要な解決策です これらの特性を向上させるための

顕著な例として、 郭微微 氏による研究があります。同研究では、SiCウイスカーを用いてステレオリソグラフィ（SLA）を通じてUV硬化型樹脂複合材を補強しました。ウイスカーの表面をカップリング剤KH550で処理することにより、ウイスカー添加の効果が確認されました。

• UV硬化速度が遅延しました

• 機械的特性が大幅に改善されました

• 硬化プロセスへの悪影響は最小限に留まりました

• Ti(C,N)系メタルセラミック複合材料におけるSiCW : 機械的特性が全体的に向上します。

実世界での応用例

今日 炭化ケイ素（SiC）ウィスカー強化複合材料 航空宇宙、防衛、自動車、化学プロセス、電子機器、生体医工業界など、多様な産業分野で使用されています。

例は以下の通りです：

• 航空宇宙 : 軸受、燃料システムバルブ、コンバスターバッテリー、レーダーアンテナ、赤外線ドーム、ヘリコプターおよびジェット航空機部品

• 自動車 : 燃料噴射装置、低排出ガソリンエンジン、熱機関部品

• 化学・エネルギー : 触媒改質器、シールノズル、摩耗に強い機械部品

• エレクトロニクス : 多層コンデンサー、ガス・圧力センサー

• バイオメディカル : 人工歯、骨、関節、インプラント材料

結論

優れた性能を持つことから、 炭化ケイ素（SiC）ウイスカーは「ウイスカーの王者」と称され 世界中の研究者から大きな注目を集めています。アメリカや日本などの国では、SiCウイスカーの研究および工業化に早期に着手し、技術的および経済的な成果を上げてきました。中国は遅れて出発しましたが、急速な発展を遂げています。

SiCをはじめとするウイスカーの研究を推進することは、中国の複合材料科学の能力向上に寄与し、特に国家防衛の分野において、グローバル競争力を大幅に高めることにつながります。

現在 SiCウイスカーは金属およびセラミックマトリクス複合材料において最も広く研究され、適用されています 。樹脂マトリクスにおける研究はまだ発展段階にあります。SiCウイスカーが樹脂系で本来持つ性能を十分に発揮するためには、表面改質技術に関するさらに深く体系的な研究が不可欠です。