炭化ケイ素式

炭化ケイ素（SiC）は、ケイ素と炭素からなる非常に硬い合成化合物で、天然には宝石のモアッサナイトとして、またわずかではあるが炭素質コンドライト隕石にも含まれている。

電気炉で珪砂とコークスを高温で溶かして作られる石英は、少なくとも70種類の結晶形が存在し、ウルツ鉱に似た六方晶のα形が最も一般的である。

物理的性質

一般にカーボランダムと呼ばれる炭化ケイ素は、ダイヤモンドに次ぐ卓越した硬度と耐薬品性を持つ非酸化物のセラミック化合物です。さらに、純粋な炭化ケイ素は高温でも酸化しにくく、より信頼性の高い電気伝導性と導電性を実現します。

珪砂を炭素とともに電気炉で加熱し、SiCを製造する。例えば、冶金グレードAは粗い層を持ち、グレードbはより滑らかな結晶構造を形成する。

これらのポリタイプの層状構造は、特徴的な電気的、光学的、熱的特性を示す。その原子結合は、4つのケイ素原子と4つの炭素原子が不規則な正方形パターンで結合し、4つの六方晶を形成している。これにより、ワイドバンドギャップ半導体特性が得られる。押出成形や冷間等方圧加圧成形により、これらの材料を棒状や管状に成形し、棒や管として使用することができる。

化学的性質

炭化ケイ素（SiC）は、一般にカーボランダム（carborundum）と呼ばれ、ワイドバンドギャップの半導体特性を持つケイ素と炭素の強靭な化学化合物である。耐火物であるSiCは、熱伝導率が高く、熱膨張率が低いため、熱衝撃に強いことでも知られています。

結晶性SiCは、4個のケイ素原子と4個の炭素原子が四面体配位で結合した最密充填構造で結晶化し、70種類以上の多型がある。α型SiCは、2000度以上の温度でウルツ鉱に似た六方晶の結晶構造を持つものが最も多く見られる。一方、ダイヤモンドに似た亜鉛閃石の結晶構造を持つβ型の修飾や、閃亜鉛鉱の形成はより低い温度で起こる。

カーボランダムは自然界では極めて希少な物質だが、宇宙では炭素を多く含む隕石の主成分となっている。1891年、エドワード・アチソンが人工ダイヤモンド製造の一環として初めて人工的に合成したこの物質は、最終的に1893年にアリゾナ州のキャニオン・ディアブロ隕石から天然に発見され、ノーベル賞受賞者のアンリ・モワッサンにちなんでモワッサナイトと名付けられた。

機械的特性

炭化ケイ素の表面は非常に硬く、モース硬度は9で、非酸化物セラミックの中で最も硬く、全体的に最も硬い材料の一つです。炭化ケイ素は、研磨材や耐火物のような機械的摩耗を伴う用途に最適な材料であると同時に、高温環境や熱衝撃に耐える優れた熱特性を誇ります。

シリコンが炭素原子の半分を置き換えることで、シリコンと炭素の原子半径が似ているため熱伝導特性が向上し、フォノンの散乱を抑えることができる。

炭化ケイ素は、黄色から緑色、青黒い虹色の結晶として現れ、2700℃で分解して昇華する。SiCは水には溶けないが、NaOHやKOHなどの溶融アルカリや溶融鉄には溶ける。ヤング率や硬度は、組織、積層欠陥、粒径、粒界の性質によって決まる。

電気的特性

炭化ケイ素の広いバンドギャップエネルギーは、シリコンよりも高い温度と電圧に耐えることができるため、高速かつ信頼性の高い電子デバイスを必要とする用途に適している。さらに、このような電圧に耐える能力は、インバーターを完全に排除することでサイズと重量の両方を削減する電気自動車バッテリー・システムにおいて非常に貴重である。

SiCは、セラミックと半導体の特性を併せ持つことから人気の高い材料であり、電子技術の進歩に貢献している。さらに、その硬度、強度、低熱膨張性、耐薬品性も人気の上昇に寄与している。

炭化ケイ素は、純粋な珪砂と炭素を電気炉で加熱することによって作られ、品質と用途に応じてa-SiCとb-SiCと呼ばれる冶金グレードと研磨グレードのインゴットが作られます。インゴットが形成された後、希望する用途に応じてさまざまなサイズや形状に切断され、その後、アルミニウムや窒素などの追加元素と混合され、希望する特性が得られます。