炭化ケイ素の特性と用途

SiCの頭文字で知られる炭化ケイ素は、現在市販されている合成材料の中で最も硬いもののひとつであり、その硬度から切削工具や、高熱や熱衝撃に対する耐性から耐火物に広く利用されている。また、エレクトロニクス用途の防食コーティング材料としても広く利用されている。

SiCは、ワイドバンドギャップ半導体の特性を持つ非常に耐久性の高い六方晶系化合物である。これにより、SiCはより高速で動作しながら、より高い電界に耐えることができる。

導電率

炭化ケイ素は、純粋な状態では電気絶縁体のように振る舞うが、不純物やドーパント（電気伝導性を変化させるドーパントを添加すること）を添加することで、その挙動が変化し、半導電性となり、最終的には再び半導電性となる。アルミニウム、ホウ素、ガリウム、窒素／リンなどの元素によるドーピングによって（それぞれp型半導体、n型半導体）。

炭化ケイ素の結晶構造は、4つのケイ素原子と4つの炭素原子が結合した2つの一次配位四面体で構成されており、強い静電相互作用が表面から陽子、電子、中性子をはじき、酸などの多くの化学薬品による腐食に耐性を持つ。

また、電荷キャリアをはじくことで熱伝導率が向上し、耐熱性が非常に高く、高温での使用に適した素材となる。電荷キャリアを効果的にはじくため、セラミックは防弾チョッキにも使用することができ、弾丸はその硬いセラミックブロック構造を貫通することができない。

SiCは標準的なシリコン半導体よりもバンドギャップが広いため、より大きな電力負荷を処理しながら、より高い電圧と周波数に対応することができる。これは、電気自動車や宇宙船のパワーエレクトロニクス部品など、より高い電圧と周波数でより大きな電力を処理する必要がある電子機器にとって重要な特性である。

耐久性

炭化ケイ素の耐久性、硬度、耐食性は、ポンプベアリング、バルブ、サンドブラストインジェクター、押出成形ダイなどの高性能エンジニアリング用途に最適な材料です。さらに、その強度、化学的不活性、低熱膨張性により、極端な高温エンジニアリング用途にも適しています。

炭化ケイ素は一般に「カーボランダム」と呼ばれ、ケイ素と炭素の組み合わせによって六角形構造を持つ強固なセラミックを形成する。そのワイドバンドギャップ半導体特性により、炭化ケイ素はシリコンの10倍の電圧に耐えることができる。

SiCは、1893年にアリゾナ州のキャニオン・ディアブロ隕石クレーターで初めて発見されたモアッサナイトに天然に含まれています。しかし、この材料は宝石や研磨材として合成的に製造されることが多く、一般的には1700～2500℃の温度で作動する電気抵抗炉で製造される。

ベルギーのリエージュにあるElkem Processing Services (EPS)は、反応焼結法を用いて世界中の顧客の仕様に合わせた炭化ケイ素を製造している。この施設は、大量のSiCを迅速に生産する最新の技術能力を誇っており、他の用途に特化したカスタムブレンドも製造している。

耐食性

炭化ケイ素は非常に硬く、耐摩耗性に優れた材料です。高温下でも強度を維持するため、耐熱衝撃性を必要とする用途に適しています。さらに、耐食性に優れているため、ほとんどの酸、アルカリ、溶融塩溶液に適しています。

アメリカの発明家エドワード・アチソンは、人工ダイヤモンドの製造方法を模索していた1891年に炭化ケイ素を発見した。粉末コークスを混ぜた粘土を、普通のカーボンアーク灯と点火プラグを使って加熱したところ、ダイヤモンドに近い硬度を持つ鮮やかな緑色の結晶が得られ、後にカーボランダム（SiC）として知られるようになった。

研磨剤、冶金、耐火物産業で使用されている現代の製造方法は、アチソンが開発したものと同様のプロセスを使用している。純度の高い珪砂や細かく砕いたコークス状の炭素などの原料を、レンガ造りの電気抵抗式炉内で炭素導体の周囲に置き、電流を流す。これにより、コークス中の炭素と砂中のケイ素が化学反応を起こし、SiCが生成される。

炭化ケイ素は多くの望ましい特性を持ち、他の金属と組み合わせて金属基複合材料（MMC）を形成することが多い。MMCは、SiCの強度と耐久性を他の金属の導電性と組み合わせたものです。さらに、MMCは浸食腐食や酸化物の剥離損傷に対して高い耐性があります。

強さ

一般に「カーボランダム」と呼ばれる炭化ケイ素は、モース硬度9という驚異的な硬度を誇り、ダイヤモンドや炭化ホウ素よりも硬い素材です。その強度と耐久性により、炭化ケイ素は研磨材から防弾チョッキに至るまで、幅広い用途で優れた材料選択となります。超高温下でも硬度を維持しながら、優れた耐摩耗性を有しており、事実、炭化ケイ素は最も硬いアドバンスト・セラミックスの一つとなっています。

炭化ケイ素は半導体材料であり、電流や電磁場によってその導電性を変化させることができるため、電気回路内の信号を増幅、スイッチング、変換する電子デバイスに有用である。炭化ケイ素半導体は、シリコン半導体と比較して電子移動度が大きく、電力損失が小さいため、高速トランジスタ、ダイオード、FETに最適です。

研磨剤、冶金、耐火物産業で使用される現代の炭化ケイ素製造は、アチソンのプロセスに似ている：純粋な珪砂に細かく砕いたコークス炭素を混ぜた混合物を電気炉の炭素導体の周囲に組み立てる。この導体に電気を通すと、珪素と炭素の化学反応が促進され、炭化珪素と一酸化炭素ガスの両方が生成される。最後に、粒状の炭化珪素を特殊な装置で希望の大きさと密度に粉砕する。