2018 Fiscal Year Annual Research Report
C/Cコンポジットの溶融塩電解表面改質による超軽量超耐熱材料の創成
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18H01716
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
竹田 修 東北大学, 工学研究科, 准教授 (60447141)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
安田 幸司 京都大学, エネルギー科学研究科, 助教 (20533665)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | C/Cコンポジット / 耐熱材料 / 電解 / SiC / 電気化学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、これまで実用化されてこなかったC/Cコンポジットに耐酸化性被膜を形成し、革新的に高い耐用温度（約1300℃）を有する、超軽量・超耐熱材料を創成することを目標とした。本研究対象をガスタービン用耐熱材料に応用することで、現行材料のNi基超合金と比べ、火力発電の発電効率の抜本的な改善が期待される。具体的な実施項目としては、溶融塩中でのイオンの輸送速度と電極反応速度、電極内の原子の拡散速度、電解諸条件が被膜の機械的・化学的特性に与える影響を研究し、溶融塩電解表面改質でC/Cコンポジット表面を珪化することでSiC被膜を形成することとした。特に、パルス電解法を用いて、従来法では困難であったマイクロクラック内のSi析出、充填、微細孔封止を行うことを目指した。
平成30年度は、電気化学測定法（サイクリックボルタンメトリ法）を用いて、溶融塩中でのSiイオンの輸送速度や電極反応の速度を見積もった。その結果、1 mol% K2SiF6の濃度でも、80 mA·cm-2の還元電流を引き出すことができ、溶融塩中でのSiイオンの輸送速度および電極反応は十分な速さを有することが分かった。また、定電流電解法を用いて、電極中でのSi原子の拡散速度を見積もった。具体的には、1000℃において5 mA·cm-2の電流密度で100 min、定電流電解を行った（目標約10 micron）。その結果、約2 micronのSiC皮膜が形成された。これは、溶融塩中のSiイオンの輸送速度に比較して、固体中のSiの拡散速度が極度に遅いことを意味し、SiとCを共析する必要があることがわかった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
SiC皮膜を電気化学的に形成させるための最も単純な方法は、炭素源を基板（固体）として用意し、その表面でSiイオンを電気化学的に還元し、Si原子を拡散・反応させる方法（電気化学的還元拡散法）である。つまり、SiCの構成成分のうち、片方のSiのみ溶融塩側から供給する方式である。この方法は、Siイオンのみを電気化学的に操作すればよいため、電解の制御幅が広く、制御がし易い。そのため、検討を開始する対象として合理的である。ただし、SiCは高融点（2730℃）であり、ダイヤモンドに類似した結晶構造を有するため、構成元素間の拘束が強く、拡散速度が遅いことが予想された。結果的には、前述の通り、SiC固体皮膜中のSiの拡散速度が極端に遅いことが分かったが、これは想定範囲内の結果である。この結果から、Siイオンのみを供給する方式では厚いSiC皮膜を形成することはできないことが明確になった。
よって、第二の検討対象として、SiとCの共析法を検討する。この方法は、SiだけでなくCも溶融塩側から供給する方式である。この方法は、還元電位の異なる二つのイオンを電気化学的に操作しなければならないため、制御が容易でない。そこで、研究分担者（安田）と連携して、理論的検討を援用することで、適切な電解条件を探る。特に、共析の場合、析出物が微粉になり、電極から脱離する恐れがある。析出物が安定して電極に保持される条件を探すことを目指す。
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| Strategy for Future Research Activity |
前述のとおり、平成30年度は、電気化学測定法（サイクリックボルタンメトリ法）を用いて、溶融塩中でのSiイオンの輸送速度や電極反応の速度を見積もった。また、定電流電解法を用いて、電極中でのSi原子の拡散速度を見積もった。その結果、溶融塩中のSiイオンの輸送速度に比較して、固体中のSiの拡散速度が極度に遅く、SiとCを共析する必要があることがわかった。そこで、平成31年度は、SiイオンとCイオン（炭酸イオン）を両方電解浴に溶解させ、共析電解を行うことを検討する。特に、溶融塩中のイオン濃度や温度、電流密度が電析物の形態、組織に与える影響を検討する。また、パルス電解によるマイクロクラック内および電極最外層での電析物の形態および封止性を検討する。膜厚の目標は、タービンブレードの長期利用（約10年間）を想定して算出した100 micronである。
本研究は代表者（竹田）、分担者（安田）、研究協力者（大学院生）三名で遂行する。溶融塩電気化学の理論予測を分担者が、金属組織学の理論予測を代表者が、電解実験・耐酸化性試験の実行を代表者と研究協力者が行う。
本研究は、溶融弗化物を扱う高温プロセスであり、加熱用の電気炉は既に整備済みである。また、溶融塩を使う研究は反応容器が特殊であるため、専用の反応容器を自作する必要がある。装置の設計は申請者が行い、資材を購入して学内の技術部（製作室）で製作する。研究分担者の安田とは、学会活動を通して常時、連絡を取り合っており、定期的に進捗報告会を行っている。また、研究協力者として申請者の研究室に所属する大学院生（１名）に研究補助をしてもらっている。
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