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セラミックスが空を飛ぶ ー 「CMC」実現へ、粘り続けたニッポンのSiC繊維開発者たち

重工業製品をはじめ世界の多くのものが合金で作られています。しかし、世界の素材・材料研究者たちは常に「もっと優れた新素材」の探求を続けてきました。そんな彼らが “合金に代わる新素材”として夢見てきたのが、金属より耐熱温度が高くはるかに軽いセラミックスを使った新素材。しかし割れやすいセラミックスの「強度」克服という難問が、世界中の研究者や企業を泣かせてきました。特に、高温環境に晒され軽量化が求められる航空機エンジンへの適用は何十年も切望されてきたものの、米国・防衛分析学会 (IDA:Institute of Defense Analyses)が2001年に発行したレポートの題名「Will Pigs Fly Before Ceramics do?(セラミックスよりも先に豚が空を飛ぶ?)」から伺えるとおり、その実現は困難を極めてきました。

しかし、GEは20年を費やした研究の末、2015年についにCMC(セラミック・マトリックス複合材)を使った次世代航空機エンジン「LEAP」の飛行テストに成功。合金に比べ熱膨張や変形が少ないCMCは、航空機エンジンの設計を一新します。空冷が不要になり燃料ロスを大幅に抑えられるなど革命的なメリットをもたらすこの新素材、GEは今後、世界最大の航空機エンジンとなる「GE9X」にも使用する計画です。

CMC製シュラウド、CMC製回転ブレード

左:「LEAP」用のCMC製シュラウド(写真:CFMインターナショナル)
右:民間航空機として初となる、GE9Xに採用予定のCMC製回転ブレード(写真:アダム・セナトリ/GE Reports)

セラミックスが空を飛ぶ ー 30年以上も粘り続けた、ニッポンの技術者たち

砕けやすいセラミックスを合金に勝る素材に変貌させる決め手になったのは、日本カーボンが開発した炭化ケイ素連続繊維「ハイニカロン」。耐熱合金より強度がありながらも軽いこの繊維をセラミックスに埋め込んで焼成することで、セラミックスの弱点を解決したのです。GE REPORTS JAPAN編集部は、“空飛ぶセラミックス”実現に無くてはならない存在であったニッポンの技術者たちのもとを訪ねました。

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ヒトの髪の毛5分の1の細さ(約10ミクロン)の繊維を500本束ねた「ハイニカロン タイプS」
金属よりも耐熱温度が高く、1200度で熱し続けても焼け切れることはない
(図版・写真提供:NGSアドバンストファイバー株式会社)

その一人が、かつて日本カーボンの研究所所長であった市川宏氏。同社を退社したのちも現在に至るまで日本の素材開発企業の支援を続けています。「いやぁ、ようやく夢が叶いました。やっと我々の生活を変えていく材料になったのかなぁ、と思ってね・・・」と目尻にしわを寄せます。

炭化ケイ素繊維そのものは、東北大学金属材料研究所の故・矢島教授らのグループによって、今から40年前、1975年に発明されました。金属や樹脂、プラスチックなどの強化用繊維として極めて有望で、まさに“夢の繊維”と目した日本カーボンはすぐにその製造権を取得。この時、量産化プロジェクトのリーダーに任命されたのが当時34歳だった市川氏でした。

市川 宏 氏

市川 宏 氏
米国セラミック協会 フェロー/元・日本カーボン 研究所 所長
(撮影:日本GE株式会社)

「本格製造するぞというので、東北大の研究室で数か月過ごしましてね。そこでの製法を見た時、気が遠くなる思いがしましたよ」と振り返る市川氏。「目にしたのは、ポリカルボシランをベンゼン溶剤で溶かして煮詰めたところにガラス棒を突っ込んで、粘っぽく糸を引くタイミングを見計らってその棒を持って“びゅーん“と走って糸を引く・・・という光景ですよ。しかも、繊維と言っても普通の糸とは違って飴細工のようにもろい。手で触ろうものなら、粉状に砕けてしまうんです」――いわゆる”化学屋“であった市川氏とチームメンバーは、紡糸の知識などありません。紡いだ糸を蒸し焼きにして炭化しようにも、蒸す過程で糸が溶けてしまい不融化の加工技術が必要・・・あちこちの大学の権威を訪ね歩き、専門外の知見や協力を総動員しました。そうしてチームは、シャーレとガラス棒では懸命に走っても2~3メートルにしかならなかった炭化ケイ素繊維を、わずか3年で1000メートルの連続繊維として紡糸する製造技術を編み出します。

NGSアドバンストファイバーの富山工場にて

NGSアドバンストファイバーの富山工場にて

NGSアドバンストファイバーの富山工場にて(撮影:日本GE株式会社)

その後、社長命により1983年には月間1トンの生産能力をもつプラントを完成。製品名を「ニカロン」として商業生産を開始したものの鳴かず飛ばずで、長い戦いが始まります。スペースシャトルが地球に帰還する際の摩擦熱に耐えるためのタイルの目地補強に使われるなど、素材特性が輝く応用事例もあったものの、市川氏の在籍中、十分な収益を得られるほどに発展することはついぞ無かったと言います。「最初のロットからして在庫になっちゃってね・・・それはもう重圧でしたよ。でも、最初に量産したことが良かった。世界中にサンプルをばら撒いて、とにかく使ってみて下さい、と応用の可能性を探ってもらったんです」

世界の科学者・技術者のおかげで完成

「この繊維が完成したのは、CMC開発に取り組む世界中の科学者たちのおかげです」と市川氏。日本カーボンの開発チームは世界の科学者からのフィードバックを得ながら、ケイ素(Si)とカーボン(C)を主とするこの素材の改良を重ね、ニカロン(化学組成:SiCO)→ハイニカロン(Si-C)→ハイニカロン タイプS(SiC)と変遷させてきました。SiCOでは1200度以上で酸素(O2)が分解されて劣化する問題を、酸素を無くしたSi-Cにして回避。しかしSi-Cでも1000度以上で繊維が伸びて変形(クリープ現象)する弱点があったため、ケイ素と炭素の比率を1:1に近づけて結晶成長させたSiCを開発。この「SiC=ハイニカロン タイプS」こそがGEのCMCを完成させた夢の繊維であり、その開発は、市川氏のチームメンバーであった武田道夫氏が手掛けました。

ミスターSiC” こと 武田 道夫 氏

“ミスターSiC” こと 武田 道夫 氏
NGSアドバンストファイバー株式会社 社長
(撮影:日本GE株式会社)

この歴史から“ミスターSiC”との異名を持つ武田氏。「カーボンとケイ素の比率を1:1に極限まで近づけたものの、1000度を超えると酸化が始まることは避けられません。裸ではなくセラミックに埋め込んで使う、CMCとしての成立は、SiC繊維にとって運命的な出会いだったんです」と言います。「まだ30代の頃、夜中まで夢中になって顕微鏡を見て“まずい終電の時間だ!”と慌てて研究所を出ることもしょっちゅうでした。でも、研究はとにかく楽しかった。世の中のどこにもない物質を扱えていることも、嬉しかったんですね」

当時からCMC開発は世界中の関心の的で、業界では毎年約50本もの論文が発表されていたとか。毎年1月に米・フロリダで開催されるセラミックス学会のアニュアル・ミーティングでは武田氏も毎年、研究成果を発表し、CMC実現に向け世界へ働きかけました。上司であった市川氏は「このミーティングはいつもお正月明けてすぐの日程でね。武田さんは大晦日も元旦も毎年、会社で発表準備をしていましたよ」と証言します。

研究所時代の武田氏

研究所時代の武田氏
繊維を500本紙に貼って顕微鏡でその太さを測る、そんな作業も地道に続けた
(写真提供:日本カーボン株式会社)

当時米国がリストアップした「米国になくて世界にある20の技術」のひとつとして挙げられていた炭化ケイ素繊維。しかし大規模な需要が見つからず、またニカロンの品質を越えることができなかった多くの企業が撤退し、今ではこれを製造できるのは世界に2社のみしかありません(ともに日本企業)。たかだか数年では結果が出ないのが材料研究の常ではあるものの、その誕生から早40年。日本カーボンが開発を粘り続けた背景には、新素材の可能性を世界から奪ってはならない、という責務があったと言います。長らくCMC研究の末、GEがセラミックスで空を飛ぶ夢の実現に漕ぎ着くことができたのも、同社のおかげ。太平洋を挟む両社は「必ず実現して世界に大きな価値を届けるんだ」という技術者魂の火を灯し続けてきたのです。

GEがCMC製造を本格開始するにあたり、日本カーボンはSiC繊維の量産のためにGEと仏サフラングループと共に合弁会社NGSアドバンストファイバー株式会社を設立(筆頭は日本カーボンで50%出資、GEとサフラングループは各25%を出資)、富山県内で製造を手掛けており、いま増設中で2016年に稼働を始める新工場ではSiC繊維を本格量産し、米国のGEの工場へと出荷予定です。また、米国内でもSiC繊維の製造を始める計画で、すでに工場建設の準備が進んでいます。SiCを完成させた張本人、ミスターSiCこと武田氏は2015年春にNGSの社長に就任。日米におけるSiC繊維本格量産を指揮する重要人物です。

建設中のNGS新工場

建設中のNGS新工場は2016年に稼働開始し10トン/年の生産能力を持つ予定
(撮影:日本GE株式会社)

「あの武田さんがやるんだから、もう安心ですよ。1975年、この新素材が生まれた時から“炭化ケイ素繊維を何としても実用化させよう”という強い決断で導いてくれた故・石川社長も喜んでいることでしょう」と市川氏。日本と世界の技術者たちが夢を賭けたスーパー新素材、CMCが世界の空を飛び交う日が待ちきれません。

そしてこのCMC、今後、発電用ガスタービンなど様々な分野で応用され重工業分野での効率性向上に大きく寄与していくことでしょう。日本が誇る素材技術が、世界を大きく変えようとしています。