はじめに
炭素/炭素（C/C）および炭素/炭素-炭化ケイ素（C/C-SiC）繊維複合材料は、極端な熱的・機械的環境向けに設計された代表的な高性能材料です。その特徴として、卓越した強度対重量比と高温での卓越した安定性が挙げられます。C/C材料クラスは主に再突入熱シールドなどの航空宇宙用途で使用され、C/C-SiCは航空機、レーシングカー、高速鉄道の高性能ブレーキシステムに採用されている[1]。さらに、C/C複合材料の優れた生体適合性と不活性は、整形外科用インプラントや人工心臓弁の部品など、ニッチな医療分野で貴重な存在となっている。
両材料の主要な特性は熱伝導率であり、これは従来の構造用セラミックスよりも著しく高く、熱管理に極めて重要である。高度に黒鉛化されたC/C複合材料は、タングステンやタンタルのような耐火性金属に匹敵する、あるいはそれ以上の面内熱伝導率を示すことがある[2]。一般に、SiCマトリックスにより低い導電率を示すが、C/C-SiC複合材料は、ほとんどのセラミックよりも大きな性能上の利点を提供する。熱応力を受けた構造からの非常に効率的な熱放散は、局所的な過熱、熱応力、潜在的な構造破壊を防ぎます。機械的安定性、低熱膨張、効果的な熱除去という極めて重要な組み合わせにより、C/CおよびC/C-SiC複合材料は、第四世代原子炉システムや核融合炉システム内の部品など、要求の厳しい将来のエネルギー用途に特に有望である[3]。
熱伝導率測定
高温領域における熱伝導率の正確な測定は、示差走査熱量測定（DSC）、熱膨張測定（DIL）、または熱機械分析（TMA）と組み合わせたレーザーフラッシュ分析（LFA）によってのみ達成できます。これらの方法はすべて、以下の式（式1、[4]）に従った熱伝導率（λ）の計算に寄与します：
熱拡散率αはLFAによって、比熱容量（比熱容量（cp）熱容量は材料固有の物理量であり、試験片に供給される熱量をその結果生じる温度上昇で割ることによって決定される。比熱容量は、試料の単位質量に関連している。cp）はDSCによって、温度依存密度変化ρは熱膨張計またはTMA測定に基づく熱膨張によって計算されます。すべての特性は温度(T)に依存し、熱伝導率を正確に決定するためには、対象となる全温度範囲にわたって特性を評価する必要があります。これは、特に2000℃以上の高温領域では大きな課題です。
実験的
C/CとC/C-SiCの試料は、それぞれ1300℃までと2000℃弱までの熱膨張データと組み合わせて、LFA 427 とDSC 500Pegasus 。LFAとDSC測定の測定パラメーターの詳細は表1と表2に示す。
表1：LFA測定パラメータ
| LFAモデル | LFA 427 2000℃加熱炉付き |
|---|---|
| 試料 | 1 x C/C, 1 x C/C-SiC |
試料 寸法 | Ø12.7 mm、厚さ約3 mm |
| 試料ホルダー | 12.7 mmグラファイト |
| コーティング | なし |
| 雰囲気 | アルゴン（120ml/min） |
使用温度 ポイント | C/C-SiC：室温/400/1000/1300 C/C 室温/400/1000/1300/1500/1700/1990 |
表2：DSC測定パラメータ
DSCモデルと 加熱炉 | DSC 500Pegasus ロジウム 加熱炉 |
|---|---|
試料キャリア 熱電対 | DSC比熱容量（cp）熱容量は材料固有の物理量であり、試験片に供給される熱量をその結果生じる温度上昇で割ることによって決定される。比熱容量は、試料の単位質量に関連している。cp/ Typ S |
| 試料 | 1 x C/C, 1 x C/C-SiC |
| 試料質量 | C/C: 38.000 mg C/C-SiC: 59.713 mg |
| 容器 | グラファイト、蓋、Al2O3ワッシャ付き |
| 雰囲気 | アルゴン (70 ml/min) |
測定温度 プログラム | C/C室温 - 1400°C at 20 K/min C/C-SiC：室温 - 1300°C at 20 K/min |
キャリブレーション 標準 | C/C-SiC：室温/400/1000/1300 POCO グラファイト |
結果と考察
図1および図2は、アルゴン雰囲気中、室温から～1400℃までの温度におけるC/CおよびC/C-SiC試料の比熱容量を示す。デバイ理論に従い、比熱容量（cp）熱容量は材料固有の物理量であり、試験片に供給される熱量をその結果生じる温度上昇で割ることによって決定される。比熱容量は、試料の単位質量に関連している。cp値は温度上昇とともに増加する。測定後、C/C試料では約0.15%、C/C-SiC試料では約0.06%の質量減少が観察された。
比熱容量（cp）熱容量は材料固有の物理量であり、試験片に供給される熱量をその結果生じる温度上昇で割ることによって決定される。比熱容量は、試料の単位質量に関連している。cpの測定は理論的にはLFAでも可能である。しかし、試料の構造が異方的であるため、これは適さない。
2DSC測定は、それぞれ1300℃と1400℃で行った。炭素試料を調べる際には、一般的に黒鉛容器が使用される。さらに、センサーを保護し、高温での材料間の相互作用を防ぐために、Al₂O₃ディスクが黒鉛るつぼとPt/Rh試料ホルダーの間に配置される。黒鉛るつぼの使用は1400℃まで保証され、技術的にも承認されています。しかし、それ以上の温度では、グラファイトとAl₂O₃の相互作用が予想されます。2000℃までの熱伝導率を計算するために、1400℃までのDSC測定データからC/C試料の比熱容量を外挿した。
図3と図4は、2つの試料の熱物性を示している。
温度が高いほどフォノン・フォノンの相互作用が強くなるため、ほとんどの材料で予想されるように、どちらの試料でも温度が高くなるにつれて温度と熱伝導率の両方が低下します。
熱拡散率αは、特に試料の厚さdに依存するため（[1]の式2を参照）、熱膨張に関するデータを用いて値を補正した。
熱膨張を補正しない場合、温度が高くなると誤差が大きくなることが予想される。
熱伝導率を計算するために、DSC測定からの比熱容量（部分的に外挿）および熱膨張による温度依存密度を考慮した（等方体を仮定）。LFA信号は、均質で等方性の材料に対する標準的なCape-Lehmanモデルを用いて評価しました。
図5は、2つの試料の熱伝導率の比較を示しています。C/C試料は、C/C-SiC試料よりも著しく高い値を示しています。
概要
高温領域における熱伝導率の正確な測定にはいくつかの課題があり、適切な測定方法を選択する必要があります。また、試料の構造も考慮しなければなりません。C/CおよびC/C-SiCの高性能材料の例から、LFA 427 、DSC 500Pegasus 、熱膨張率とともに、LFA、DSC、DIL/TMAのトリオが高温領域の熱伝導率を決定するために不可欠であることがわかります。