中国の新しいセラミックは実際に金属のように曲がることができる

Oct 04, 2023

ニセリン/iStock

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中国の研究者が、金属のように曲がることができる世界初のセラミック物質を作成した。 この開発が本当であれば、人工関節とエンジンの性能が向上する可能性がある。

この発見がなされるまでは、セラミックの柔軟性と強度は相反するものであり、一方が向上するとどちらかが悪化すると一般に信じられていました。

研究を主導した材料科学者のChen Kexin氏は、この新素材は科学者たちが強度と軽量性の両方を同時に実現したのは初めてだと述べた。 セラミックの硬さと金属の柔軟性を兼ね備えています。

「このセラミックは多くの産業に技術革命をもたらす可能性がある」と中国国立自然科学財団工学・材料科学部のチェン教授は述べた。

10月27日、清華大学のチェン氏と同僚らは、その研究結果をサイエンス誌に発表した。 フィンランドのタンペレ大学のエルッカ・フランクバーグ氏は、サイエンス誌の同じ号に掲載された意見記事の中で、この発見は「今日の最高の金属合金よりも軽くて強い材料を生み出す可能性がある」と述べた。

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「私が30年前にキャリアをスタートして以来、世界中でセラミックスの可塑性に関する研究が行われてきました。今日、我々はついにこのテーマに関してブレークスルーを達成したと言えるでしょう」とチェン氏は語った。

科学者らは窒化ケイ素を使用して 2 つの異なる結晶構造を持つナノピラーを作成しました。 ある結晶構造に外力が加わると、別の結晶構造に変化することがあります。 これにより、素材は元の形状に戻る前に曲がることができます。

この物質は、航空エンジンの製造に特に有利である可能性がある。 セラミック素材は耐久性、軽量性、耐熱性に優れています。 フレキシブルセラミックエンジンは、一般的な合金エンジンよりもはるかに高い温度で、はるかに優れた燃料効率で機能する可能性があります。

セラミックエンジンは合金エンジンよりもはるかに軽いため、はるかに速く動くことができます。 エンジンを軽量化することで他のコンポーネントにかかるストレスが軽減されます。

この物質は自動車のエンジンにも応用される可能性がある。 セラミック材料は合金よりも耐熱性に優れているため、セラミック エンジンの冷却液タンクは小さくなる場合があります。 セラミック エンジンの燃焼温度が高いと、推力が増加し、汚染が少なくなる可能性があります。

窒化ケイ素で作られたセラミックは、生体適合性があり、軽く、耐細菌性があるため、関節置換術において金属の代わりに使用できます。 金属製の人工関節のほとんどは 10 年ごとに交換する必要があり、費用と痛みが伴います。

「セラミックで作られた人工関節は、移植後は生涯持続することができます」とチェン氏は説明した。

チェン氏はまた、この材料は、発電機とファンブレードを接続する風力タービンの重要な部品であるベアリングの製造に使用できる可能性があると述べた。 各ベアリングの耐久性は、使用中に数トンの圧力に耐える必要があり、システム全体の耐用年数に影響します。

「当社の柔軟な窒化ケイ素セラミックスを使用すれば、より長持ちするベアリングを作ることができ、それによって風力発電のコストが平均的に下がります」とチェン氏は説明します。

「私たちの実験に基づいて、この柔軟なセラミック材料を大規模に生産することが可能です。ハイエンド機器の分野では、明らかな価格上の利点があります。」と彼は付け加えました。

同氏は、ジェットエンジンに使用される単結晶タービンブレードの製造に使用される高価なレアアース鉱物の例を挙げた。 同時に、最も高価な窒化ケイ素は 1 キログラムあたり約 200 ドルで販売されます。

「私たちは現在の研究に基づいてこのセラミック素材を改良し続けます。ドアを開けると、その向こうには広い世界が広がっています」とチェン氏は語った。

Science 誌でこの研究を自分で見ることができます。

研究概要:

「共有結合したセラミックスは、硬度、強度、化学的不活性性、熱や腐食に対する耐性などの優れた特性を示しますが、室温で脆くなるため、その幅広い用途は困難です。これとは対照的に、金属内の原子は滑り面に沿って滑ることができます。共有結合の強力かつ方向性の特性により、歪みに適応するために、共有結合セラミック内の原子は結合破壊を必要としますが、これは最終的に負荷時の致命的な破損につながります。 「コヒーレントな界面を持つ二相構造です。コヒーレントな界面では連続的な結合の切り替えが実現され、応力誘起の相変態が促進され、最終的には塑性変形が生じます。」