高温ソリューション：CFRPとセラミックマトリックスコンポジットの統合

500°F/230°C以上の使用温度で高性能構造を可能にする材料は限られています。選択肢は基本的にチタンなどの金属、インコネルなどの合金、ポリイミド（PI）、セラミックマトリックスコンポジット（CMC）です。これらはすべて従来の炭素繊維強化ポリマー（CFRP）コンポジットより大幅に高コストですが、CMCはインコネルの約1/3、チタンの約1/2という低密度ゆえに関心が高まっています。CMCの欠点は、部品製造に要する長い処理時間——『American Ceramic Society Bulletin』2019年4月号によると、わずか30日足らずです。

しかし、Pyromeral（フランス・バルベリー）はこのギャップを埋める製品ファミリーを開発しました。最大1,500°Cの性能を、CFRPに近い処理で、約1週間で部品を製造可能にします。「長い溶融浸透ステップを必要とせず、連続繊維で強化された先進ガラスセラミックマトリックスを可能にする新規ケミストリーを開発しました」と、Pyromeralセールス&マーケティングディレクターのギヨーム・ジャンダン氏は説明します。同社は、高弾性率炭素、炭化ケイ素、酸化アルミニウム繊維で強化されたPyroKarb、PyroSic、PyroXide材料を提供し、典型的には2×2綾織り生地形態で、繊維体積率（FVF）50%のコンポジットとなります。

熱性能要因

ジャンダン氏は、3つのPyromeral材料すべてが1時間未満で1,000°C以上で性能を発揮できると説明します。PyroKarbは長期（1,000時間未満）で200°C、短期（100時間まで）で500°Cでの使用が可能。PyroSicは長期で500°C、短期で800°Cまで対応。PyroXideは1,500°Cまでの短期使用が可能で、Ox-Ox CMCに非常に近い性能をより低コストで提供します。

「実際の部品での熱性能は多くの要因に依存します」とジャンダン氏。「熱の種類（輻射、対流）、部品の一部を冷却する気流の有無、必要な構造特性（非構造耐熱シールドか準構造部品か）などです。連続高温で機能するか、短時間のフラッシュで機能するかも重要です」と同氏は付け加えます。「PyroSicとPyroKarbは後者、例えば1,000°Cで0.1秒、冷却、繰り返しといったサイクルに適しています。約3.10⁻⁶ μm/m/Kという低い熱膨張係数（CTE）は、10.10⁻⁶ μm/m/K以上になりがちな金属と比較して利点です。これらの金属は急速な高温熱サイクルに対応するために応力を受け疲労劣化しますが、我々の材料はそうなりません。」

CFRPライクな処理、高温用途

「マトリックス材料を室温で液体とし、含浸機でプリプレグを作るように発明しました」とジャンダン氏。「CF/エポキシツール上にプリプレグを積層します。マトリックスがアルカリ性のため金属ツールは使いません（反応する可能性があるため）。次のステップは、100°C、6 barで約12時間のオートクレーブ緻密化です。」部品は脱型後、フリースタンディングで500〜1,000°Cの2段階熱プロセスを経て、マトリックスのセラミック化を完了し、構造部品となります。

Pyromeralはフォーミュラ1レースカーで早期の成功を収めました。「エンジン周りのヒートシールドとブレーキ周り（500〜700°Cに達する）に使用されています」とジャンダン氏。「2012〜13年F1シーズンでは、ザウバーを除くすべての車が、エンジン排気ガス（800°C）を導く部品に我々の材料を使用しました。これらの構造は排気とシャシからの振動にも耐えました。現在、F1でレースするすべての車に我々のコンポーネントが搭載されています。」

「また、高性能断熱を材料に統合し、6mm厚で700°Cの温度低下に耐えられるようにできます」と続けます。「例えば、180°C以下に保たなければならないCF/エポキシ製F1ギアボックスを、ターボチャージャーの900〜950°Cからわずか20mmの距離に配置できるコンポーネントを作っています。」その他の用途には、『アリアン5』ロケット認定のPyroXideヒートシールド、『アリアン6』用部品、大型無人航空機（UAV）用PyroSic排気出口などがあります。

PyromeralはComposite Resources（米国サウスカロライナ州ロックヒル）と提携し、米国市場での展開を図っています（「コンポジット製造ニッチの構築」参照）。両社は規模が似ており、レース分野での長い歴史を共有しています。「部品設計・製造における我々の経験は、ケミストリーと材料性能に焦点を当てたPyromeralを補完します」と、Composite Resourcesビジネス開発ディレクターのメルビル・クラウソン氏。

両社は、さらに高い耐熱性への顧客要求に応え、PyroXideの高い高周波（RF）透過性をレドームとアンテナ用途で特性評価しています。「超音速機と、空軍を超えた非常に広範な防衛用途、商用ジェットエンジンへの関心を見ています」とクラウソン氏。

「Pyromeral製品は未来志向でもあります」とクラウソン氏。「石油由来物質を含まず、溶媒は水のみ。他の成分は鉱物で、使用済み部品を粉末に加工し他用途で再利用できます。」