主流の熱場材料：C/C複合材料

炭素炭素複合材料は炭素繊維複合材の一種で、炭素繊維を強化材として、堆積した炭素をマトリックス材として用います。C/C複合材は炭素ほぼ完全に炭素元素で構成されているため、優れた耐高温性を有し、炭素繊維の強固な機械的特性を継承しています。防衛分野では既に工業化が進んでいます。

応用分野:

C/C複合材料産業チェーンの中間に位置し、上流には炭素繊維やプリフォームの製造が含まれ、下流の応用分野は比較的広いです。C/C複合材料主に耐熱材料、摩擦材、高機械性能材料として利用されており、航空宇宙（ロケットノズルスロートライニング、熱保護材、エンジン熱構造部品）、ブレーキ材料（高速鉄道、航空機ブレーキディスク）、太陽光発電熱場（断熱バレル、るつぼ、ガイドチューブなどの部品）、生体（人工骨）などの分野で使用されています。現在、国内のC/C複合材料企業は主に複合材料の単一リンクに焦点を当て、上流のプリフォーム方向まで拡張します。

C/C複合材料は、低密度、高比強度、高比弾性率、高熱伝導率、低熱膨張係数、良好な破壊靭性、耐摩耗性、耐アブレーション性など、優れた総合性能を備えています。特に、他の材料とは異なり、C/C複合材料は温度上昇によって強度が低下することはなく、むしろ強度が増加するという優れた耐熱性材料であるため、ロケットスロートライナーとして初めて工業化されました。

C/C複合材料は、炭素繊維の優れた機械的特性と加工特性を継承し、グラファイトの耐熱性と耐腐食性も備えているため、グラファイト製品の強力な競合材料となっています。特に、高強度が求められる応用分野である太陽光発電熱分野においては、大型シリコンウエハーの普及に伴い、C/C複合材料のコスト効率と安全性がますます重視され、需要は堅調に推移しています。一方、グラファイトは供給側の生産能力の限界により、C/C複合材料の補完的な役割を担うようになっています。

太陽光発電熱場応用：

熱場とは、単結晶シリコンの成長または多結晶シリコンインゴットの生産を一定の温度に維持するためのシステム全体であり、単結晶シリコンと多結晶シリコンの純度、均一性などの品質に重要な役割を果たし、結晶シリコン製造産業の前端に属します。熱場は、製品の種類によって、単結晶シリコン単結晶引き上げ炉の熱場システムと多結晶インゴット炉の熱場システムに分けられます。単結晶シリコンセルは多結晶シリコンセルよりも変換効率が高いため、単結晶シリコンウェーハの市場シェアは増加し続けていますが、わが国における多結晶シリコンウェーハの市場シェアは年々減少しており、2019年の32.5％から2020年には9.3％となっています。そのため、熱場メーカーは主に単結晶引き上げ炉の熱場技術ルートを採用しています。

図2: 結晶シリコン製造産業チェーンにおける熱場

熱場は十数個の部品で構成されており、その中核部品はるつぼ、ガイドチューブ、断熱筒、ヒーターの4つです。部品ごとに材料特性に対する要求が異なります。下図は単結晶シリコンの熱場の模式図です。るつぼ、ガイドチューブ、断熱筒は熱場システムの構造部品です。これらの部品の中核機能は高温の熱場全体を支えることであり、密度、強度、熱伝導率などに対する高い要求が求められます。ヒーターは熱場における直接加熱素子であり、熱エネルギーを供給する役割を果たします。一般的に抵抗性であるため、材料の抵抗率に対する要求は高くなります。