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高速でき裂が完治する自己治癒セラミックスを開発 ~骨の治癒がヒントに!フライト中にヒビを治す航空機エンジン用部材の実現へ大きな一歩~

 国立研究開発法人 物質・材料研究機構(NIMS),横浜国立大学,および国立研究開発法人 科学技術振興機構(JST)は2017年12月21日,NIMS構造材料研究拠点の長田 俊郎 主任研究員,同 国際ナノアーキテクト研究拠点の三留 正則 主席研究員ら,および横浜国立大学 大学院工学研究院の中尾 航 教授らの研究グループが,自己治癒セラミックスのき裂は,骨の治癒と同じく炎症・修復・改変という三つの過程を経て治癒することを発見し,さらに,1000℃において最速1分でき裂を完治できる自己治癒セラミックスの開発にも成功した,と発表した.本研究は,独立行政法人 日本学術振興会の科研費若手(B),JST先端的低炭素化技術開発・実用化プロジェクト,並びに文部科学省受託事業ナノテクノロジープラットフォームの支援を受けて行われ,成果はScientific Reports誌のオンライン版に掲載された(注).

 き裂の自己修復が可能な自己治癒セラミックスは,アルミナ(Al2O3)を主成分とする酸化物系セラミックスに,炭化ケイ素(SiC)のような非酸化物系セラミックスが分散した構造のセラミックスで,1995年に横浜国立大学の研究グループにより発見された.しかしながら,治癒の温度域は1200~1300℃に限られ,完治に長時間を要するという課題があり,治癒可能温度範囲の拡大と材料設計指針の構築が望まれていた.

 本研究において,研究グループは,自己治癒セラミックスにき裂が入ると,き裂から侵入した酸素がSiCと反応して二酸化ケイ素(SiO2)が合成され,次いでAl2O3がSiO2に作用して融点を下げることで生成する低粘度過冷却融体がき裂を充填し,この過冷却融体が結晶化して機械的に強固なクリストバライトとムライトが生成して強度が回復する,という骨の治癒に見られる炎症・修復・改変期の三過程に類似する三段階で治癒が進むことを,各段階での電子顕微鏡観察で明らかにした.

 修復速度向上のため,低融点過冷却融体を構成するAl2O3と同様の作用を持ち,修復・改変期の反応速度を高速化する添加剤(治癒活性相)の探索が熱力学平衡計算を駆使して行われ,1000℃付近の温度では酸化マンガン(MnO)が有効であることが見出された.MnOをき裂の進展経路となるAl2O3の粒界やAl2O3/SiC界面に局在化させることにより,どこにき裂が入っても必ず存在するMnOで修復が行われる.MnOを局在化させるため,添加量は0.2vol%の極微量であっても有効に作用する.これにより,従来の材料では1000時間であったき裂完治に要する時間を,1000℃において最速で1分程度にすることに成功した.MnOは骨の治癒を促進する体液ネットワークに相当するものといえる.

 本研究による自己治癒セラミックスの設計手法は,航空機エンジンの高圧・低圧タービンへの適用が期待され,究極的には,割れが入っても壊れない「損傷と共に生きる」こともできる人工材料の開発につながるという.

(注)Toshio Osada, Kiich Kamoda, Masanori Mitome, Toru Hara, Taichi Abe, Yuki Tamagawa, Wataru Nakao, and Takahito Ohmura, "A Novel design approach for self-crack-healing structural ceramics with 3D networks of healing activator", Scientific Reports, Vol.7, Article number: 17853 (2017), doi: 10.1038/s41598-017-17942-6; Published online: 19 December 2017