炭化ケイ素とは？

炭化ケイ素は、高密度、卓越した耐食性、卓越したトライボロジー特性を持つ、非常に硬くて強い材料です。焼結タイプと反応結合タイプの両方があります。

無加圧焼結は、ホウ素と炭素の反応による結晶粒の表面エネルギーの低下を通じて高密度化を実現するが1、高温のため結晶粒が過度に成長し、機械的特性が損なわれる。

強さ

一般にカーボランダムと呼ばれる炭化ケイ素は、ケイ素と炭素からなる硬い化学化合物で、モアッサナイトのような希少鉱物に天然に存在する。しかし、より一般的には、研磨剤や防弾チョッキのセラミックプレートとして使用するために、粉末や顆粒として大量生産されている。カーボランダムは、リン酸、硫酸、硝酸などの酸に対する耐性を含め、耐薬品性を保ちながら高温に耐えることができる。

炭化ケイ素焼結体は、その顕著な断熱特性により、航空宇宙から天文学に至るまで、あらゆる産業で広く応用されています。また、焼結炭化ケイ素耐火物は優れた耐久性を誇り、精密公差のために高価な装置を使用して精密に加工することができます。

炭化ケイ素セラミックには、反応結合型と焼結型の2種類があります。反応結合炭化ケイ素は、SiCと炭素から成る成形体に液体ケイ素を浸透させることにより製造され、初期粒子に結合するSiCを増加させ、焼結品よりも付着しやすい反応結合炭化ケイ素粒子を形成する。

炭化ケイ素焼結体は、原料を不活性雰囲気中で超高温に加熱することにより製造され、サンドポンプや鉱業用サイクロンの摩耗部品など、さまざまな用途に使用できる非常に強度の高い材料に変化します。さらに、優れた耐食性と低熱膨張特性を備えています。

硬度

反応焼結炭化ケイ素(RSiC)は、粉末粒子をプレスし、焼結(加熱)することによって製造され、焼結炭化ケイ素ほどではないが、高い強度、硬度、耐腐食性、耐酸化性を持つ固体の材料となる。

焼結炭化ケイ素は、強い共有結合を持つテクニカルセラミックで、高温で優れた機械的特性を発揮します。この材料は、優れた硬度と耐摩耗性、耐薬品腐食性、耐酸化性、耐熱衝撃性に加え、非常に優れた熱伝導性を誇り、過酷な環境での使用に適しています。

液相焼結は、均一な微細構造を持つ高純度材料を生成し、固相焼結プロセスよりもコンパクトになります。緻密化中の寸法変化は最小限に抑えられ、複雑な形状の精密部品を製造することができる。ホウ素と炭素の焼結添加剤は、体積拡散率を改善し、結晶粒間のガラス形成を制限しながら、結晶粒界エネルギーと表面エネルギーを修正することができます。

固体焼結の結果は、結晶性シリコンの運動エネルギーが増加し、粒状領域内での転位運動が加速されるとともに、金属シリコン濃度が増加し、粒界を横切るSiCの拡散が遅くなることでクリープ速度が低下するため、従来のものよりも優れた耐圧縮クリープ性を有する。

耐食性

炭化ケイ素は、耐腐食性、耐酸化性、耐摩耗性に優れており、他の材料では時間の経過とともに壊れてしまうような過酷な環境に適した材料です。さらに、炭化ケイ素は1,900℃までの温度に耐えることができるため、予想以上に容易に腐食する強酸性の化学薬品やガスと接触する可能性のある化学処理に適しています。

固相焼結炭化ケイ素（SSiC）とケイ素浸透炭化ケイ素セラミックスは、いずれも様々な化学溶液中で安定であることがわかっているが、後者は遊離ケイ素のために腐食安定性が低い。これらのメカニズムを探るため、研磨表面の腐食深さの正確な測定と腐食生成物の走査型電子顕微鏡観察の両方を用いて、NaOH溶液中でSiSiCの短期および長期の腐食実験を行った。

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プリフォームに液体シリコンを浸透させ、反応させてSiCにすることで製造される。RBSiCは、高価なSSiCとは異なる点がいくつかあります。ひとつは、強度や硬度は低いものの、製造コストが大幅に低く、気体や液体の透過性が高いことです。また、耐摩耗性、耐腐食性、耐熱衝撃性に優れているため、バーナーノズルやジェットチューブ、フレームチューブなどの用途に使用できます。最後に、耐熱衝撃性に優れているため、急激な温度変化にも影響を受けません。

熱伝導率

焼結炭化ケイ素は、非酸化物セラミック材料の中で最も高い熱伝導率を誇り、化学気相成長（CVD）SiCや反応接合炭化ケイ素のような高温を伴う用途に適しています。

コアの近くに位置し、その結晶構造は高熱性能セラミックの熱伝導率を高めるのに役立ちます。高温負荷に耐えることができ、損傷も少なく、腐食、酸化、疲労にも強いこの材料は、長期間にわたって耐圧性と耐熱性を維持できるため、ポンプシール用途に最適な材料です。

また、この種のセラミックは優れた靭性を誇り、他のセラミック素材よりも衝撃や振動に耐えることができる。さらに、その強度と耐酸化性は、このカテゴリーで最高レベルにあります。

液相焼結（LPS）は、共晶酸化物焼結添加剤を用いて炭化ケイ素を緻密化する革新的な技術で、従来よりも低い温度で緻密化するため、製造コストを節約すると同時に、完成品の気孔率を低下させることができます。

異なる焼結添加剤を添加したLPS-SiC試料のHRTEM画像は、添加剤の添加量を増やすことでSiC結晶粒間の液相分布が均一化され、高密度化、相対密度の向上、電気抵抗率の改善につながったことを示しています。