炭化ケイ素セラミック

構造用セラミックスは、エンジニアリングセラミックスとも呼ばれ、主に材料の機械的、熱的、化学的、その他の効果を発揮する先端セラミックスの一種です。構造用セラミックスは、耐高温性、耐摩耗性、耐腐食性、耐酸化性、高温下での低クリープ性などの特性を持っています。金属材料や高分子材料では対応できない過酷な使用環境にも耐えることができます。構造セラミックスには主に酸化物セラミックス、窒化物セラミックス、炭化物セラミックスがあります。炭化ケイ素セラミックは主に以下のように紹介されています。炭化ケイ素は、通称カーボランダムとも呼ばれ、自然界にはほとんど存在しない典型的な共有結合化合物です。1890年、EwordとG.Achesonが炭素に触媒としてケイ素を加えてダイヤモンドを合成しようと考えたとき、炭化ケイ素を調製した。現在もなお、研究開発が続けられている。

炭化ケイ素は当初、その超硬性能から使用され、各種砥石、研磨布、研磨紙、各種研磨材に調製でき、機械加工産業で広く使用されている。第二次世界大戦では、炭化ケイ素セラミックが製鉄の還元剤や発熱体としても使用できることが発見され、急速な発展を遂げた。さらに研究が進み、高温安定性、高熱伝導性、耐酸・耐アルカリ腐食性、低膨張率、耐熱衝撃性など多くの優れた特性を持つことが判明した。

炭化ケイ素の結晶形には、主に立方晶β- SIC4と六方晶α- SICの2種類がある。 炭化ケイ素格子の基本構造単位は、SIC4とCSI4の4面体が互いに貫入したものである。四面体は同じ辺を共有して平面層を形成し、頂点は次の層の四面体と連結して立体機構を形成する。正四面体の積み重ねの順序が異なれば、異なる構造を形成することができるため、これまでに何百ものバリエーションが見つかっている。一般に、格子の種類を表すには簡潔で直感的な記号、すなわちアルファベットのC、H、Rが使われ、違いを示すには単位胞に含まれる層の数が使われる。炭化ケイ素セラミックスは典型的な価数化合物ですが、イオン型もあります。理論計算によると、SI-C結合の全エネルギーの78%は共有結合状態に属し、22%はイオン状態に属します。炭化ケイ素セラミックは、S原子とC原子のサイズが小さく、結合長が長く、共有結合が強いため、高硬度、一定の機械的強度、難焼結性などの一連の特性を有しています。

炭化ケイ素は典型的な共有結合で結合した安定化合物である。また、拡散係数が小さいため、従来の焼結法では緻密化しにくい。緻密な炭化ケイ素セラミックスを得るためには、表面エネルギーや表面積を増加させるための焼結助剤を添加したり、特殊なプロセスを採用したりする必要がある。焼結プロセスにより、炭化ケイ素は再結晶炭化ケイ素セラミックス、反応焼結炭化ケイ素セラミックス、無圧焼結炭化ケイ素セラミックス、熱間プレス焼結炭化ケイ素セラミックス、高温熱間静水圧プレス焼結炭化ケイ素セラミックス、化学気相成長炭化ケイ素に分けられる。様々な製法で作製された炭化ケイ素の特性はかなり異なっており、同じ製法で作製された炭化ケイ素でも、原料や添加物が異なるために性能が劣る。