具優異機械加工性之SiC纖維強化陶瓷複合材料

 

刊登日期:2018/6/11
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日本湘南先端材料研究所利用碳化矽(Silicon Carbide)與氧化鋁(Alumina),開發了一項長纖維強化陶瓷材料,不僅輕量、高強度、高韌性,並可承受在約1200℃的高溫氧化環境下進行連續加熱之機械加工作業,且研究團隊也確立了陶瓷基複合材料(Ceramic Matrix Composites;CMC)之預浸材成形製程(Prepreg Process)。

研發成果最大的突破在於實現了大幅低成本化之目標。由於陶瓷基複合材料(CMC)須利用大型裝置反覆進行浸漬(Impregnation)、燒結等過程,因此仍有生產效能的問題待解決。而湘南先端材料研究所採用了與碳纖維強化塑膠(Carbon Fiber Reinforced Plastics;CFRP)同樣的積層成形法,將纖維強化預浸材依設計需求,以任意的纖維配向角度(Fiber Orientation Angle)進行積層、燒結,確立了陶瓷基複合材料(CMC)低成本製造方法。此項成形法的關鍵技術是在陶瓷漿料充填了特別成份調整的的硼矽玻璃(Borosilicate Glass),而將陶瓷基複合材料(CMC)的燒結溫度設定於纖維的耐熱溫度(約1000℃)以下。與一般陶瓷基複合材料(CMC)成形所使用的化學氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition;CVD)相比,新技術不需要蒸鍍裝置或纖維的氧化保護用表面處理裝置,因此可以10分之1的價格進行製造。

2016年湘南先端材料研究所與日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)即開始以「低成本纖維強化陶瓷之宇宙航空用高溫零組件應用」為主題進行研發,為實現在1000℃氧氣環境下達到機械特性的持續性,JAXA以其超高溫環境下的材料∕構造評估技術,結合湘南先端材料研究的低成本陶瓷基複合材料製造技術,展開了製程開發、實際耐熱構造試作之適用性評估的共同研究計畫。飛機引擎的心臟部份或噴管噴射部位,要求耐熱溫度在1300~1500℃左右,因此會採用高密度鎳基耐熱合金(Nickel Base Heat Resistant Alloy),但只要稍微遠離引擎的心臟部份或噴管噴射部位,對於零組件的要求耐熱溫度即可降低至800℃左右。因此活用陶瓷基複合材料(CMC)的輕量性,陶瓷基複合材料(CMC)可望成為替代耐熱材料。

目前全球可供應碳化矽(SiC)纖維的僅有宇部興產與Nippon Carbon兩家企業,而為達到輕量化、提高油耗等目的,飛機引擎的材料轉換也持續在發展中,奇異航空(GE-Aviation)等採用碳化矽(SiC)纖維的趨勢亦呈現活潑化。為此,湘南先端材料研究也透過與JAXA的合作,從事飛機引擎零組件的開發,並計畫擴大應用至汽車引擎周邊零組件用途。目前湘南先端材料研究已做好將低成本陶瓷基複合材料(CMC)供應至市場的準備,今後也計畫將預浸材的生產販售及引擎周邊的零組件製造予以事業化,並與其他化學企業或機械製造商等大廠進行合作開發。


資料來源: 化學工業日報/材料世界網編譯
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