先端セラミックの長所と短所

ゆっくりとした大規模な採用にもかかわらず、高度なセラミックとセラミックマトリックス複合材料は、主要な航空宇宙および軍事用途での地位を確立しています。

今日の陶磁器は、古代世界の窯から長い道のりを歩んできました。陶磁器は24、000年前にさかのぼります。しかし、それらの用途は、特に高性能の軍用および商用ジェットエンジン、ミサイル、宇宙船、および「装甲および摩耗部品の高硬度または耐火用途の高温耐性」を含む構成部品およびその他の用途で進化し続けています。機械設計へ。

構造用セラミックとしてであれ、セラミックマトリックス複合材料の一部としてであれ、用途の広い材料は、メーカーがジェットタービンエンジンの燃料効率を高め、従来のエンジンと同じくらいの冷却の必要性を排除するのに役立ちます。たとえば、GE Aviationは、CMCが金属よりも3分の2軽量で、20％高い温度能力を備えていると主張しています。

「1887年にボーキサイトを精製するためのバイヤー法の発見に続いて出現し始めた高度なセラミックは、従来のセラミックと比較して優れた機械的、熱的、電子的特性を備えています」と、LuxResearchのAnthonyVicariとAnthonySchiavoは次のように書いています。 MachineDesignの記事。

業界で最も規模の大きいプレーヤーのいくつかは、航空宇宙設計におけるセラミックの利点にも注目しています。ゼネラルエレクトリックからユナイテッドテクノロジーズ、サフラン、ボーイング、ロールスロイスまで、1980年代初頭以来、セラミックを使用した航空宇宙設計に関する8,000件を超える特許が付与されています。

高度なセラミックとセラミックマトリックス複合材料：悪い点で良い点を取ります

利点はありますが、必ずしもセラミックが航空宇宙設計材料のすべてであるという意味ではありません。メーカーも発見しているように、セラミックには機械加工とコストの面で課題があります。

セラミックには断熱性が豊富に備わっているため、航空機のタービン内の高温と組み合わせると効果的なツールになります。また、非常に軽量で非腐食性であり、ジェット燃料との接触に耐えることができ、宇宙でより速い速度と拡張された領域を実現できます。しかし、成形と処理は遅くて骨の折れるものになる可能性があります。

「セラミックが失敗した場合、金属のように優雅に失敗するのではなく、突然かつ壊滅的に失敗します」とLuxResearchは述べています。 「これだけが制限ではありません。構造用セラミックは非常に高い耐熱性を備えているため、低速でエネルギーを大量に消費するソリッドステート方式で処理する必要があります。さらに、緻密化後の硬度が高いため、セラミックの機械加工が大きな課題になります。」

壊滅的な破損に対抗するために、繊維強化を使用して、「材料が破損し始めた後のマトリックスおよび支持荷重を介した亀裂の伝播」を制御します。これにより、CMCは「金属の延性破損のように徐々に破損する」ことができます。

セラミックは機械加工が難しい場合がありますが、不可能ではありません

製造業者は、航空宇宙設計でセラミックを使用することが、耐久性のある材料を使用しながら航空機の重量を減らす確実な方法であることを知っています。

「強度と耐熱性を高める同じ特性により、機械加工もより困難になります」と、SecoToolsの教育および技術サービスのマネージャーであるDonGrahamは、ManufacturingEngineeringの記事に書いています。グラハム氏は、最終的な機械加工または研削期間中に問題が発生し、誤って切断するとセラミックの表面の完全性が損なわれると指摘しています。さらに、高い材料除去率では、危険にさらされる可能性がさらに高くなります。

「脆性、高硬度、耐クリープ性、高強度のため、旋削、フライス盤、穴あけなどの従来の機械加工方法は、亀裂、脆性破壊、エッジチッピングのために、高度なセラミックでうまく実行するのは困難です」とアレクサンダーゴリンは説明します。 M. Mohan Reddyの論文、Advanced Ceramics：従来の方法による機械加工におけるいくつかの課題と解決策。

セラミックを使用した機械加工の難しさを完全に取り除くことはできませんが、Graham氏によると、ショップは適切な工具を選択することで課題を軽減する方法を見つけました。鋭い刃先とポジティブレーキを備えた工具は切削抵抗を低減しますが、きめの細かい基板を備えたインサートは、研磨切削条件に最適です。

「繊維強化は、脆性の懸念を大幅に克服しましたが、CMCの熱伝導率が低く、硬度が高く、研磨性が高いため、機械加工性が低下します」とGraham氏は述べています。 「従来の機械加工方法に加えて、メーカーはウォータージェット、EDM、レーザー支援機械加工、研削、PCBN挿入工具の使用などのCMC部品を処理する別の方法を実験しています。」

セラミックが正しく機械加工されていない場合、構造はその強度を失います。

セラミックの一部が正しく機械加工されていない場合、構造自体の強度が大幅に低下します。サンドイッチされた複合材料が不規則な、不均一な、または変形したエッジで切断されると、構造全体がかなりの剛性を失います。

「不均一に切断されたり変形したりしたサンドイッチ複合材料は、段ボールに折り目を付けると剛性が失われるのと同じように、強度が失われます」とGraham氏は述べています。 「仕上げ加工の場合、ショップはそのようなサンドイッチ複合材用に特別に設計された高速エンドミルを使用する必要があります。」

航空宇宙設計でセラミックを使用して機械加工する場合、いかなる種類の曲げやほつれも避けることが重要です。解決策は、非常に鋭いエッジと速い切断速度を備えた切断機を使用することであるとグラハムは指摘します。

セラミックは高価ですが、革新は有益です

Gorin / Reddyによると、セラミックを機械加工する際の強力で効率的なカットに重点を置いているため、多くのショップがセラミックベースの構造の完全性を維持するために全体の費用の最大80％を負担していることが知られているのも不思議ではありません。紙。当然、これは予算を維持したり、仕事の他の側面に資金を割り当てようとしたりするときに問題を引き起こす可能性があります。

「私たちCMCの優れた機械的特性を利用したい[D]設計者は、特権を支払う必要があります」と、MachineDesignの記事でLuxResearchは述べています。 「最も低コストのグラファイト/カーボンファイバーCMCは、単純な形状で約30ドル/ポンドの価格を要求します。これは機械加工で劇的に上昇します。高温用途向けの炭化ケイ素マトリックス/炭化ケイ素繊維CMCは、4,000ドル/ポンドを超える価格で高純度の繊維を必要とし、プリフォームの価格は9,000ドル/ポンドを超えます。」

専門家は、セラミックの採用は遅れており、政府の資金提供による補助金やインセンティブに支えられていることが多いため、実際に離陸するには、コストを下げる必要があると述べています。 Lux Researchは、「繊維などの中間体のコストを削減する技術は新しい市場を開拓し、処理の進歩によりCMC部品の信頼性を高め、認定を容易にすることができる」と指摘しています。

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