炭化ケイ素セラミック材料の概要

炭化ケイ素は、最も硬く耐久性のある先端セラミック材料の一つで、耐火物やセラミック用途において、研磨材としての硬度と耐熱性、低熱膨張係数の両方で使用されています。

モアッサナイトは、透明な鉱物モアッサナイトとして自然界にも存在します。人工的に合成された最初のサンプルは、1891年にエドワード・アチソンが人工ダイヤモンドを作ろうとした際に作られました。その後、ノーベル賞を受賞した化学者アンリ・モワッサンが、さらに多くのサンプルを人工的に合成しました。

高温強度

炭化ケイ素(SiC)は、非常に強い非酸化物セラミックで、高温での腐食や化学的攻撃に対して卓越した耐性を発揮します。SiCは、工業炉の耐火ライニング材として、研削砥石、切削工具、機械加工用途など強度が不可欠な用途で使用されています。さらに、SiCコンポーネントは、抵抗発熱体、電気炉用サーミスタ、SiCを含むライナーチューブやシール面の主要部品を形成している。

SiCは高温での優れた耐熱性と強度で知られ、産業用途で高く評価されている。SiCは、その表面と周囲を取り囲む元素との間にバリアのような働きをする酸化保護層を形成することにより、1000℃までの温度で酸化に耐える。しかし、高温では、クラックがこのバリアを貫通し、結晶間領域または粒状領域を介してエネルギーを放散する可能性があり、その結果、高温での強度を高めることが困難になる。

炭化ケイ素は、反応接合と焼結の2つの異なる工程を経て製造される。どちらの製法も微細構造に大きな影響を与えるため、高温での性能に大きく影響します。反応接合では、SiCと炭素の混合物からなるグリーン成形体に液体シリコンを浸透させます。これにより、加工中の寸法変化が少なく、表面積の広い構造が生まれます。耐火性コアシェル微細構造は、高温でのSiCの強度を向上させることが実証されているユニークな特性を提供します。

高温耐性

炭化ケイ素の優れた強度は、民生用自動車用セラミックブレーキパッドなどの高温用途に最適な材料です。炭化ケイ素は、その卓越した強度と硬度を維持しながら、1400℃までの温度に耐える能力を持っており、理想的な材料となっている。

炭化ケイ素は、他のセラミック材料とは異なり、高温で劣化したり溶融したりしないため、永久的な構造的損傷を与えることなく、ベアリングや防弾プレートなどの高応力、耐荷重用途での使用に適しています。このため、炭化ケイ素は、ベアリングや防弾プレートのような高レベルの耐荷重応力を伴う用途に特に理想的です。

炭化ケイ素は、極めて希少な鉱物であるモアッサナイトとして天然に産出されるが、合成ケイ素の生産は、精密な寸法を要求される現代の国防、原子力、宇宙技術、航空宇宙産業の需要に応えている。

炭化ケイ素焼結体は、窒化アルミニウムに次いで、テクニカルセラミックスの中で最も高い熱伝導率を誇っています。これは、フォノンの大きな散乱を生み出す格子酸素構造に起因している。熱伝導率は、焼結工程で酸化物添加剤を使用することでさらに向上させることができますが、材料の構造安定性と耐酸化性を維持するためには、酸化物添加剤を最小限に抑える必要があります。

低熱膨張係数

炭化ケイ素の低熱膨張係数は、過酷な条件下でセラミックマトリックス複合材料（CMC）として使用するのに最適な材料であり、高温や熱衝撃環境に耐えなければならないガスタービンやロケットノズルのような用途に広く適用されています。

ステンレス鋼は耐腐食性に優れているため、化学工業炉のライニングに最適な材料です。さらに、ステンレス鋼は化学的安定性に優れているため、酸やアルカリ溶液のような過酷な液体環境でも長期間の使用が可能です。

炭化ケイ素の最も広く見られる多形であるα形は、ウルツ鉱型の結晶構造を持ち、融点が1700℃を超える。しかし、より希少なベータ型も存在し、ダイヤモンドに似た閃亜鉛鉱結晶構造を持ち、融点は1030℃と低い。

炭化ケイ素は、多孔質セラミックスと緻密質セラミックスの両方として見出すことができる。製造技術は大きく異なり、最終的な微細構造は使用される製造方法に依存する。反応結合型SiCは、炭素-SiC混合物の成形体に溶融シリコンを浸透させることによって製造され、この溶融シリコンは互いに反応してさらにSiCを形成し、最初の成形体を結合する。ヘキソロイのような焼結SiCは、不活性雰囲気下で高温で焼結される前に、従来のセラミック成形プロセスによって形成される。

高硬度

炭化ケイ素のモース硬度は9.5に達し、ダイヤモンドと窒化ホウ素に次いで第3位です。そのため、切削工具や研磨材、機械産業用途のベアリングやシールなどの高温耐摩耗部品の製造に適しています。

炭化ケイ素は、安定した化学的性質、優れた熱伝導性、低い熱膨張係数、硬度、機械的強度を併せ持つユニークな材料であり、石油、化学工学、マイクロエレクトロニクス、自動車、航空製紙、レーザー鉱業などの産業で広く利用されています。さらに、炭化ケイ素は、環境保護情報エレクトロニクスやエネルギー利用アプリケーションにも使用されています。

炭化ケイ素（SiC）は、反応接合と焼結という2つのプロセスで製造することができ、どちらも最終的な微細構造に影響を与える。反応結合SiCは通常、シリコンと炭素の混合物から成る成形体に液体シリコンを浸透させることで生成され、この液体シリコンは他のシリコン-炭素分子と反応してさらにSiC結合を形成する。一方、焼結SiCは従来のセラミック成形技術と非酸化物焼結助剤を使用して製造される。

炭化ケイ素の優れた加工性は、特にグラファイトと組み合わせた場合に、耐摩耗性シール部品の製造に最適な材料となります。この組み合わせは、アルミナセラミックや硬質合金よりも摩擦係数が低く、高いPV値の間でも形状を維持し、アルカリや酸などの化学物質が環境に漏れるのを防ぎます。