ピッチ系炭素繊維強化超耐熱材料

軽量、高剛性、優れた熱特性という特徴を持つPitch系炭素繊維に、耐熱性の高い素材をマトリクスとして組み合わせることで、他の材料では実現困難な水準で力学特性と耐熱性を両立させることが出来ます。

本トピックでは三菱ケミカルが製造・開発するPitch系炭素繊維強化超耐熱材料の、衛星宇宙用途を想定した極限環境評価の結果をご紹介します。

材料について

表に示す材料から製造した試験片を評価しました。

材料名称	強化繊維	マトリクス	備考
フェノールCFRP	Pitch系炭素繊維	フェノール樹脂	—
C/C（Carbon Carbon）コンポジット		炭素（C）	—
C/SiC（Carbon-SiC）コンポジット		シリコンカーバイド（SiC）	—
C/Cコンポジット＋Zr/Ti Alloy		炭素（C）＋Zr/Ti Alloy	東京理科大学と共同研究中

各材料は以下のような力学物性を示します。
（本記載値は代表値であり、積層構成、含有物質量により変化します）

材料名称	繊維配向	嵩密度 (g/cm³)	曲げ強度 (MPa)	曲げ弾性率 (GPa)	引張強度 (MPa)	圧縮強度 (MPa)
フェノールCFRP	等方性	1.6	100	20	50	170
フェノールCFRP	一方向性	1.7	630	390	1710	300
C/Cコンポジット	等方性	1.9	180	70	110	170
C/Cコンポジット	一方向性	1.7	440	290	300	300
C/SiCコンポジット	等方性	2.4	150	100	100	500
C/SiCコンポジット	一方向性	2.1	410	310	300	450
C/Cコンポジット＋Zr/Ti Alloy		評価予定

JAXAが保有する750kWアーク加熱風洞（※1）を用いて、試験片に高温・高速の気流を吹き付け、大気圏再突入の状態を模擬した試験を実施しました。試験中の温度測定および試験前後の試験片の比較により、高エンタルピー気流下での材料の挙動を把握できます。

材料	Sample Density （g/cm³）	Test Condition		Temperature		Thickness
材料	Sample Density （g/cm³）	Heat Rate （MW/m²）	Distance （mm）	Surface（MAX）（℃）	Backside（MAX）（℃）	Before Test （mm）	After Test （mm）	Δ （mm）
フェノール CFRP	1.54	3.6	100	2329	166	35.41	33.35	-2.06

Before Test	After Test

試験により材料が損耗していますが、気流に晒される試験片表面の温度に対して背面の温度が低温に保たれました。
この結果はフェノールCFRPが一般的なCFRPに近い力学物性を持ちながら、高エンタルピー気流下に置いて、アブレーション法による熱防御の機能を果たす可能性を示唆します。

材料	Sample Density （g/cm³）	Test Condition		Temperature Surface （℃）	Thickness
材料	Sample Density （g/cm³）	Heat Rate （MW/m²）	Distance （mm）	Temperature Surface （℃）	Before Test （mm）	After Test （mm）	Δ （mm）
C/Cコンポジット	1.69	4.7	100	2235	8.08	7.32	-0.76
C/SiCコンポジット	2.38	3.6	100	1544	29.65	29.87	0.22
C/SiCコンポジット	2.41	6.1	80	1842	29.99	30.12	0.13
C/Cコンポジット +Zr/Ti Alloy	2.34	4.7	100	2412	9.77	9.86	0.09