航空宇宙技術に革新をもたらす高耐熱性のケオティックなカーバイド (Heat-Proof Chaotic Carbides Could Revolutionize Aerospace Technology)

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2022-10-11 アメリカ合衆国・デューク大学

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・ デューク大学、イタリア・CNR-NANO Research Center およびペンシルべニア州立大学PennState)
から成る研究グループが、チューナブルなプラズモニック特性に加え、硬度、安定性、高温度耐久性を備えた新しい種類の高エントロピーカーバイド(炭化物)を実証。
・ タンタル(Ta)を含む新カーバイドは、溶融塩を撹拌できる硬さで、7,000℉(約 3,870℃)を超える高温
(太陽の表面から数百マイル離れた場所の温度)を耐久する。プラズモニック効果により、人工衛星通信や極超音速機の熱調整機能の向上が期待できる。
・ プラズモニクスは、金属表面の自由電子による集団振動に光のエネルギーを捉える技術。入射光と相互に作用する強力な電磁場を発生させて、デバイスによる広範囲な電磁波スペクトルの特定周波数の吸収、放出、制御を可能にするもの。
・ プラズモニクス研究に使用される金、銀、銅等の標準的な金属は比較的低い温度で溶融し、外気からの保護が必要となるため、ロケットや人工衛星等の航空宇宙アプリケーションに使用できない。
・ 新材料は、2018 年に同大学が開発した、炭素と 5 種類の金属元素から構成される高エントロピーカーバイドがベース。規則的な結晶構造で安定した材料を形成する従来方法に代わり、様々なサイズの多種類の元素を組み合わせて安定性を向上させたケオティック(無秩序)な構造のセラミクスを発見している。
・ それ以降、米国国防総省(DoD)の Multidisciplinary University Research Initiative (MURI) コンペの
750 万ドルの助成金を受け、アプリケーションに適する特性を持たせた材料をオンデマンド設計する、AI 材料設計ツール開発を進めている。
・ 本研究では、熱力学的無秩序の計算モデルと時間依存密度汎関数理論(TDDFT)による経時的な特性評価を通じ、14 種類の高エントロピーカーバイドで近赤外・可視光スペクトルでのプラズモニック特性を実証。オプティカルとテレコミュニケーションの両アプリケーションに適した材料の候補となる。
・ 今後もさらに新しい材料の組合せを試行し、アンテナ、光・熱制御や超高温度下で使用するデバイス等の様々なアプリケーションでの利用の可能性を探る。
・ 本研究は、米国海軍研究室(ONR)が支援した。
URL: https://pratt.duke.edu/about/news/heat-proof-chaotic-carbides-could-revolutionize-aerospace-technology

<NEDO海外技術情報より>

関連情報

Nature Communications 掲載論文(フルテキスト)
Plasmonic high-entropy carbides
URL: https://www.nature.com/articles/s41467-022-33497-1

Abstract

Discovering multifunctional materials with tunable plasmonic properties, capable of surviving harsh environments is critical for advanced optical and telecommunication applications. We chose high-entropy transition-metal carbides because of their exceptional thermal, chemical stability, and mechanical properties. By integrating computational thermodynamic disorder modeling and time-dependent density functional theory characterization, we discovered a crossover energy in the infrared and visible range, corresponding to a metal-to-dielectric transition, exploitable for plasmonics. It was also found that the optical response of high-entropy carbides can be largely tuned from the near-IR to visible when changing the transition metal components and their concentration. By monitoring the electronic structures, we suggest rules for optimizing optical properties and designing tailored high-entropy ceramics. Experiments performed on the archetype carbide HfTa4C5 yielded plasmonic properties from room temperature to 1500K. Here we propose plasmonic transition-metal high-entropy carbides as a class of multifunctional materials. Their combination of plasmonic activity, high-hardness, and extraordinary thermal stability will result in yet unexplored applications.

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