石油産業における構造用セラミック材料の応用

新素材の世界では、セラミックス素材、金属素材、有機高分子素材が三者一体となって複合し、互いの長所を学びながら短所を補い、新しい素材の柱となります。技術革命。

セラミックスは主に一部の非金属鉱物、窒化ケイ素、酸化ケイ素などで構成されています。鋼よりも耐熱性と耐化学反応性が高く、内燃機関などの高温機械装置を製造するためのさまざまな合金の代替に非常に適しています。エンジン。 1990 年代以降、ホットメルト技術と噴霧乾燥技術のさらなる改良により、人々はセラミックスの実際の組成を理解できるようになりました。セラミックスをマトリックス材料として使用し、連続繊維、ウィスカー、粒子などの強化剤と混合して得られるセラミック複合材料は、航空、精密機器、機械工具、エレクトロニクス、そして人間の体。

ハイテク配合後の通常のセラミックの疲労強度と耐食性は、鋼や高温合金材料よりもさらに高く、特にエンジン、航空宇宙機器、ダイビング機器の製造に最適です。マイクロ波乾燥技術がますます完成するにつれて、複合セラミックスの性能は向上し続けています。ドイツの工具メーカーは、複合セラミックスの硬度を利用して、金属板を切断するためのドリルビットやナイフなどの切削工具を製造しています。英国企業は、減速機、ボールシャフト、その他の製品を製造する際に、複合セラミックスの使用を増やしています。人体に入る特定の金属サポートの代わりに複合セラミックスを使用するという米国の医療分野の目標も現実になりました。 2000年末までに、国際市場におけるハイテク複合セラミックスの売上高は1,900億ドルに達し、その内訳は西ヨーロッパ市場で550億ドル、日本市場で300億ドルでした。 21世紀に入ると、米国、欧州共同体、日本および一部の発展途上国におけるハイテク複合セラミックスの開発への投資の伸び率は20％を超えるだろう。米軍だけでも複合セラミックスの研究開発に2億米ドルを投資している。先進的な構造用セラミックスは、自動車、航空機、エネルギー輸送、電力機器および機械産業で広く使用されており、化学産業、原子力工学、医療機器、食品機械などの産業でも徐々に使用されています。主な用途としては、各種高温構造部品（ノズル、熱交換器、セッター、高温フィルター、高温ボールバルブ、発熱体）などです。耐摩耗部品（ベアリング、ボールミルメディア、脱水板など）、耐食部品（パイプ、ボールバルブ、ポンプ材料など）、シール、耐衝撃構造部品（セラミック）装甲）、エンジン用セラミック部品など

1980年代、国際石油危機を背景に各国が競ってセラミックエンジンの開発に巨額の資金を投じ、多くの先端セラミックス、特に構造用セラミックス製品やその製造技術が開発されました。現在、ハイテクセラミックスを用いて開発された自動車用セラミックエンジン部品や、セラミック粉末を用いて表面改質された自動車部品が多数市場に投入され、自動車の作動性能が大幅に向上しています。

セラミック材料の軍事利用は常に米国の先端材料プログラムの主要な部分を占めてきました。セラミックは、ガラスセラミック装甲コックピットからパトリオット ミサイルやアパッチ ヘリコプターに至るまで、軍事機器に広く使用されています。軽量セラミックスは、現代の戦闘機にも広く使用されています。地上攻撃から乗組員を守るために、セラミック製の装甲が客室の座席、側面、床に設置されることがよくあります。セラミックは多くの軍事レーダー通信システムにも使用されています。パトリオット ミサイル システムのレーダーはセラミック部品で作られています。構造用セラミックスの場合、切削工具の寿命は通常の金属工具の数十倍です。例えば、炭窒化チタン系超硬合金や単結晶ダイヤモンドは、非鉄金属、セラミックス、ガラス、グラファイトなどの精密加工に最適なツールです。

エネルギー、輸送、自動車、航空宇宙、エレクトロニクス、軍事、その他の分野でこれらの材料の需要が高まるにつれ、高性能セラミック切削工具の用途はさらに広範になるでしょう。

高度な構造用セラミックスは、高強度、高温耐性、耐摩耗性、耐食性、小さな比重、優れた化学的安定性など、多くの優れた特性を備えています。金属やポリマー材料と比較すると、脆くて衝撃に弱いことが主な欠点です。したがって、先進的な構造用セラミック材料の適用範囲と速度は、主にセラミックの脆さの問題を解決するという作業の 2 つの側面に依存します。もう 1 つは製造プロセスの経済性です。特にセラミックスの特性は、原料の粒径、純度、焼成後の微細構造、加工条件などに大きく影響されるため、新しいセラミック材料の研究開発と製造プロセスの改善を同時に行う必要があります。そしてその二つは切り離せないものです。

石油産業の中でも油田の一つ一部の掘削装置部品、吊り上げ装置部品、ポンプ、ボールバルブ、管継手、さまざまなパイプライン、および耐食性と耐摩耗性が必要なその他の多くの部品では、耐用年数を延ばし、油の回収率を高めるために、金属に代わるセラミックスの使用が検討されています。さらに、発泡セラミックス、超可塑性セラミックス、プラスチック複合セラミックス、セラミック粉末潤滑剤、およびさまざまなファインセラミック材料および部品も石油産業で広く使用されています。

軽量発泡セラミックスは、独立した気泡構造を持ち、比重が小さく、加工性能が良く、断熱性と耐熱性が優れています。この種の軽量発泡セラミックスは、セラミックス粉末と発泡剤とを混合した原料を加熱発泡させてなる無機質の軽量発泡体である。焼成条件や原料の配合を制御することで、ポリウレタンフォームのような均一な独立気泡（直径0.1mm～3mm）の構造を生成します。コンクリートの8～20倍の断熱性があり、最高耐熱温度は800℃に達します。

高温構造用セラミック材料の開発に加えて、表面膜セラミック材料の適用範囲は常に拡大しており、開発の見通しは非常に楽観的です。小型化、多層化、薄膜化、多機能化の傾向にあります。機械や化学工業の分野で使用されるほか、セラミック皮膜で覆われた金属工芸品の製造にも成功しています。例えば、自由に伸ばしたり折りたたんだりできる弾性セラ​​ミック素材が最近日本で発売され、伸ばした後の長さを10倍以上に伸ばすことができます。この方法により製造される窒化ケイ素セラミックス焼結体は、切削工具、シールリング、ベアリング、ノズル、各種の耐高温、耐摩耗、耐食性を備えた製品など、さまざまな複雑形状の製品を効率的かつ経済的に製造することができます。 。機能性セラミックスは現在ますます広く使用されています。例えば、超電導セラミックスは抵抗や熱損失なく電流を流すことができるため、リニアモーターカーは時速200～300キロメートルで走行できるなど、大きな可能性を秘めています。スーパーコンピューターのデスクトップサイズのコンピューティングユニットは、今日のコンピューターよりも数千倍高速に動作します。機能性セラミックスのその他の用途には、各種センサー、アクチュエーター、光電子材料、半導体、積層コンデンサーなどがあります。セラミックコーティングは、金属などの多くの材料を保護したり潤滑したりするためにもよく使用されます。

これらのセラミック コーティングは、コンピュータやその他の電子機器の停電、コンポーネントの誤動作、過度の摩耗を効果的に防止します。高機能セラミックス材料の加工においては、近年レーザー加工技術が普及してきています。セラミック材料をレーザー加工する技術により、加工コストを 50% 削減できます。このスキルこの技術は、金型の製造コストの関係で金型を使用せずに生産される小バッチおよび小規模仕様の特定のセラミック部品に特に適しています。まず、セラミック材料をレーザーを使用して1000℃に加熱して軟化させます。レーザーの強度と加熱領域は正確に制御する必要があり、加熱領域は材料のごく一部に限定されます。次に、高温のセラミック材料を超硬質ホウ素化材料で作られた旋盤に移して加工します。レーザー加工の大きな利点の 1 つは、従来の方法では材料を成形するのに複数の旋盤が必要であるのに対し、1 回のカットで複雑な幾何学的寸法を達成できることです。