A multifunctional ZrC porous ceramic fabricated via a direct foaming method with load- bearing, thermal insulation, and electromagnetic wave absorption properties

極超音速で大気圏に再突入する際、車両は過酷な課題の組み合わせに直面します。空気の摩擦は、ほとんどの材料を溶かしてしまうほどの強烈な熱を発生させ、同時に、車両は重い構造荷重に耐え、かつ敵のレーダーから姿を隠していなければなりません。伝統的に、技術者たちは異なる層の材料を積み重ねることでこれらの問題を解決してきました。すなわち、形状を維持するための強固な金属フレーム、熱を遮断するためのふわふわとした断熱層、そしてレーダー波を吸収するための特殊なコーティングです。しかし、これらの別々の部品を積み重ねることは重量を増加させ、ストレスの下で層が剥がれてしまう弱点を生み出します。次世代の航空宇宙設計の目標は、荷重を支え、熱を遮断し、レーダーから身を隠すという3つの仕事を同時にこなせる単一の材料を見つけることです。

西北工業大学と陝西理工大学の研究者たちは、このパズルを解こうとする新しいタイプのセラミックを開発しました。彼らは、極端な温度に耐えることで知られる物質である炭化ジルコニウムを用いた、軽量で多孔質な材料を作り出しました。化学的なレシピを注意深く制御することで、彼らは微細で連結した穴を持つセラミックを作り出すことに成功しました。この構造により、この材料は強固な構成要素、熱シールド、そしてレーダー吸収体の役割を同時に果たすことができます。チームは、製造過程でジルコニウムに混ぜる炭素の量を調整するだけで、強度と断熱性の稀なバランスを実現するために材料の特性をチューニングできることを見出しました。

プロセスは、塩化ジルコニウムと、植物由来の液体であるフルフラルという2つの一般的な化学物質から始まりました。研究者たちはこれらを混合し、液体が自然にフォーム（泡）へと変化するように仕向けました。これにより、外部の型や発泡剤を必要とせずに、固形でありながら多孔質な「グリーンブロック」が生成されました。その後、このブロックは電気炉の中で極めて高い温度まで加熱されました。この加熱中、フルフラル由来の炭素がジルコニウムと反応して最終的な炭化ジルコニウム・セラミックを形成する、カルボサーマル還元と呼ばれる化学反応が起こりました。この反応中に放出されるガスが、スポンジのような多孔質構造を維持する役割を果たしました。チームは、成分のバランスが最終製品にどのように影響するかを確認するために、炭素とジルコニウムの比率をわずかに変えた4種類の異なるバージョンのセラミックを作成しました。

結果は、添加された炭素の量が、材料の潜在能力を解き放つ鍵であることを示しました。研究者が炭素含有量を増やしていくにつれて、セラミックを構成する微粒子はより大きく滑らかになり、材料内の穴はより均一で相互に連結したようになりました。この微視的な構造の変化は、材料の性能に重大な影響を及ぼしました。最も炭素を多く含むサンプルは、71パーセントの空隙率を持ち、最も成功した結果となりました。それは、微小な球体が強固に結合した三次元ネットワークを備えており、23.6メガパスカルの圧縮強度を有していました。これを比較すると、このレベルの強度は、他の多孔質セラミックが単に崩れてしまうような航空宇宙用途の構造物として使用するのに十分な重さを支えられるレベルです。

その強度に加え、この材料は優れた遮熱能力を示しました。研究者たちがセラミックを摂氏300度で10分間加熱して熱絶縁性能を評価したところ、反対側は驚くほど低温を保っていました。最良のサンプルは、炭素が少ないサンプルと比較して大幅に低下した、摂氏99.5度という表面温度を維持しました。この熱絶縁性能は、0.254 W/(m·K)という熱伝導率で測定されました。これは非常に低い値であり、熱が材料を通り抜けるのが困難であることを示しています。多数の微細な孔が、熱の伝導性が低い空気を取り込むことで、熱エネルギーの移動を遅らせる効果的な障壁を作り出しました。このことは、この材料が宇宙船の敏感な内部コンポーネントを、大気圏再突入時の灼熱から保護できる可能性を示唆しています。

おそらく最も驚くべき発見は、レーダーステルスに不可欠な、電磁波を吸収する能力でした。研究者たちは、幅広い周波数にわたってセラミックがどれだけレーダー信号を吸収できるかをテストしました。彼らは、最も炭素含有量が多いサンプルが最も多くのエネルギーを吸収し、標準的な金属表面と比較してレーダー波の反射を1,000倍近く低減することを発見しました。技術的には、この材料は最小反射損失が-28.87デシベルに達しており、特定の周波数において衝突するレーダー波の99.9パーセントを吸収できることを意味します。この吸収効果は非常に高く、幅広い周波数をカバーしているため、さまざまな角度からのレーダー探知から車両を隠すことが可能になります。

この吸収のメカニズムは、セラミックのユニークな構造にあります。炭化ジルコニウムの相互連結された球体ネットワークにより、電子が自由に移動できるようになり、電磁エネルギーを熱として消散させる導電路が形成されます。同時に、材料内の粗い表面や欠陥が、レーダー波を孔の中で跳ね返らせ、反射のたびにエネルギーを失わせます。製造過程で加えられた炭素も、材料が波と相互作用するのを助ける特定の欠陥を作り出し、吸収をさらに強化しました。コンピュータシミュレーションにより、このセラミックを金属表面の上に配置すると、反射されるレーダー信号の強度が大幅に減少することが確認され、対象物を検出することを実質的に困難にすることが証明されました。

この研究は、現代の航空宇宙工学における相反する要求を満たす単一の材料を設計することが可能であることを証明しています。単純な自己発泡法を用い、炭素とジルコニウムの比率を注意深く調整することで、研究者たちは、荷重を支えるのに十分な強度を持ち、軽量で、かつ熱とレーダーを遮断するのに効果的なセラミックを作り上げました。この研究は、このアプローチが、重い多層構造を排除した、極超音速飛行体用の新しい統合熱防御システムにつながる可能性を示唆しています。今回の研究は実験室環境でのテストでしたが、その結果は、宇宙や高速飛行の極限環境に耐えうる多機能セラミックを開発するための有望な道筋を示しています。