焼結炭化ケイ素とその用途

炭化ケイ素は、その優れた特性により産業界で様々な用途に使用されています。耐腐食性、耐酸化性、耐熱衝撃性などです。

反応結合型SiCは、炭化ケイ素の多孔質グリーン体に液体シリコンを浸透させ、加圧下で注入する焼結プロセスによって製造される。最終的な材料の破壊靭性は低い。

高強度

炭化ケイ素セラミックスは、その非常に硬い表面で知られ、優れた耐摩耗性、耐食性、耐熱性を発揮します。さらに、この材料は、強力な高温強度レベル、化学的安定性特性、機械的硬度特性とともに、優れた耐酸化特性を示します。

プロセス機器用に様々な標準サイズと形状があり、ポンプシールの相手部品との摩擦を低減し、優れた耐摩耗性を提供します。

炭化ケイ素焼結体の耐浸食性と耐摩耗性は、炭化ホウ素や炭化タングステンを適用することでさらに向上させることができ、これらの特殊グレードは、原料や製造コストが若干高くなるにもかかわらず、高温での材料力学を改善する。

反応接合または無加圧焼結SiCセラミックスは、選択された成形方法が最終的な結果を左右し、異なる微細構造を生成する。反応融着炭化ケイ素は、無圧焼結SiCよりも低い加工温度、優れた形状能力、低コストを実現しますが、高温強度と曲げ強度は無圧焼結SiCよりも劣るため、セラミック材料に最大限の性能を求めない用途には反応融着炭化ケイ素の方が適しています。

高い耐食性

炭化ケイ素セラミックスは、セラミックスの中でも最高レベルの耐食性を誇り、その優れた硬度、強度、熱伝導性、耐摩耗性により、過酷な化学環境にも耐えることができます。さらに、炭化ケイ素は優れた耐酸化性と耐摩耗性を備えています。

焼結炭化ケイ素(SSiC)は、微粒のSiC粉末を非酸化物の焼結助剤で加圧・焼結(加熱)し、糊状の混合物にすることで製造され、その後、用途に応じて圧縮・成形したり、金型を通して押し出し、焼結炭化ケイ素のチューブにすることができる。

反応焼結は、低共晶温度で複数の元素の共晶酸化物（Y2O3-Al2O3など）を混合し、緻密化中のSiC粒子の移動、拡散、物質移動のための液相を形成して、正確な寸法の焼結セラミック製品にするものであるが、高価な原料消費とエネルギーコスト、緻密化中の腐食挙動などの欠点があり、SiCセラミックの最高の性能を得るためには慎重に管理しなければならない。

高温耐性

炭化ケイ素は高温に耐えることができるため、キルンなどの化学処理装置で使用する材料として優れています。さらに、耐薬品腐食性があるため、1,900℃まで耐えることができ、機械的硬度も高い。

反応結合型SiCセラミックスは、多孔質炭素原料と溶融シリコンを組み合わせて製造され、ドライプレス、鋳造、押し出しなどの方法で成形される。これらは、弾道脅威に対して使用される複合装甲システムに採用されることが多い。

無圧焼結炭化ケイ素(PSiC)は、強度、硬度、熱伝導性、耐腐食性、耐酸化性、耐屈曲性において卓越した強度を持つ先端材料であり、ノズル、シール、ウェアリングなどの部品に最適です。

PSiCの焼結効率を高めるために、共晶点が低く、SiC粒子の移動、拡散、再配列を促進し、製品の緻密化をもたらすY2O3-Al2O3などの1つ以上の多元素共晶酸化物を添加することにより、液相を生成することができる。その結果、製造されるSiCセラミックスは、優れた曲げ強度と耐熱性を併せ持つ。

高温強度

炭化ケイ素焼結体は、高温でも比較的一定の強度を保つ高い強度を誇り、多くの用途で優れた材料の選択肢となっています。さらに、耐薬品腐食性があるため、多くの産業環境に適しています。

一方、反応結合炭化ケイ素（RBSiC）は、多孔質カーボンまたはグラファイトのプリフォームに溶融シリコンを浸透させ、それらの構造間に多孔質領域を形成することで作られる。RBSiCはSSiCよりも強度と硬度が低いが、耐薬品性と耐熱衝撃性に優れている。

焼結は、正確な寸法と密度を持つセラミック製品の製造を可能にしますが、欠点もあります。焼結温度が高いと、緻密化の際に収縮が生じます。さらに、このプロセスでは、酸化性や腐食性の環境にさらされた場合に性能に影響を及ぼす可能性のある化学組成や密度の不均一につながるクラックが材料に生じる可能性があります。そのため、ほとんどの研究者は、より環境に優しい液相焼結を選択している。

高い機械的硬度

炭化ケイ素は地球上で最も硬く、最も強い材料のひとつです。この組み合わせにより、耐腐食性、耐摩耗性、耐熱衝撃性に優れ、さまざまな相手材に使用した場合に耐摩耗性と低摺動摩擦を発揮します。

焼結SiCセラミックスは、SiC粒子間の強固な焼結結合の形成により、その高い強度を実現しています。炭化ケイ素の無圧焼結または熱間静水圧プレスは、実質的に気孔のない製品を製造し、セラミック製品の機械的特性をさらに向上させます。

反応融着炭化ケイ素（RSIC）は、HPSICやHIPSICに比べて気孔が多く、結晶粒構造が粗いため、曲げ強度が低下し、高温用途には不向きです。

直接焼結炭化ケイ素は、RSICよりも結晶粒が細かいため耐酸化性が高く、同等品よりも高価ですが、優れた耐摩耗性、耐熱性、高温強度特性を備えており、ポンプシールやその他の要求の厳しい高温用途に最適です。直接焼結炭化ケイ素は、優れた高温強度性能だけでなく、優れた高温強度が要求されるポンプシール用途に一般的に指定されています。