炭化ケイ素はどのようにして作られるのか？

炭化ケイ素（SiC）は、ケイ素と炭素からなる硬い化学化合物で、天然にはモアッサナイト宝石として存在し、研磨剤、冶金用途、耐火物に使用するために大量生産されている。

SiCは高温や熱衝撃に強く、半導電性であり、原子構造により耐熱性があるため、耐火レンガやその他の耐火物製品に最適である。

化学反応

炭化ケイ素（一般にカーボランダムまたはSiCと呼ばれる）は、構造的特性と半導体特性を併せ持つセラミック材料である。強度、高温耐性、高温下でも化学的に不活性であることから、SiCは研磨材、冶金、耐火物などの用途に優れた材料となる。

SiCは様々な製造技術を用いて製造することができ、それぞれが特定の用途に対して明確な利点を提供している。例えば、アチソン・プロセスは高強度の複雑な形状を提供し、反応結合炭化ケイ素（RBSC）プロセスは高純度を提供し、化学蒸着は超高純度コーティングを作成する可能性を提供する。

商業的な炭化ケイ素の生産は、通常、低灰分の石油コークスを炭素源とする電気炉プロセスを使用し、粉砕・粉砕された後、選別され、特定の性能特性を満たすように化学処理される。

ケイ素と炭素が原料中で化学反応し、元素の多型または積層配置を形成する。立方晶炭化ケイ素（a-SiC）は、モース硬度9の最も一般的な多型の1つである。このような性質の原料鉱物は、原料鉱物として採掘されることもあるが、多くの場合、反応結合と焼結の組み合わせプロセスによって製造される。

反応結合法とは、粉砕した珪砂と低灰分の石油コークスの形の炭素を混合し、反応結合によって電気抵抗炉の周りに積み上げるプロセスである。その後、導体に電流を流すと化学反応が起こり、a-SiCとb-SiCの円柱状のインゴットができる。未反応のa-SiCはインゴットの表面に残る。その後、液体シリコンを添加し、最初は分離していた結晶を結合させて、ほとんどの工業用途に適した立方晶SiC結晶の連続構造にする。

暖房

炭化ケイ素(SiC)は、炭素とケイ素からなる無機化合物で、天然には希少鉱物のモアッサナイトとして産出されますが、1893年以来、研磨剤として使用される粉末として合成製造もされています。炭化ケイ素は、モース硬度でアルミナ（酸化アルミニウム）とダイヤモンドの中間に位置する最も硬い合成材料であり、熱伝導性、低熱膨張率、化学的不活性などの特性から、炉用レンガなどの工業用耐火物用途に適しています。

冶金グレードのSiCの製造は通常、アチソン法で行われ、約2600℃に加熱された電気アーク炉で、石英砂（珪砂）などの原料を石油コークスまたは無煙炭と混合する。この加熱プロセスの一環として、二酸化ケイ素（SiO2）が還元され、SiCと冶金用ケイ酸塩と呼ばれる他の化合物に変化し、後に再び粉砕され、品質に応じて黒色または緑色の炭化ケイ素になる。

この技術による炭化ケイ素の生産は歩留まりが高く、炉チャージ当たり最高11.3トンの黒色炭化ケイ素を生産する。しかし、より高純度のSiCは、Lelyのプロセスなど、より高価な方法で得ることができる。

炭化ケイ素は異なる多形または形態で発生し、それぞれが特徴的な特性と特性を有している。例えば、α型炭化ケイ素（a-SiC）はウルツ鉱に似た六方晶の結晶構造を持ち、β型炭化ケイ素（b-SiC）はダイヤモンドに似た閃亜鉛鉱の結晶構造を持つ。

どのような多形であっても、炭化ケイ素のすべての形態は、四面体配置に結合したケイ素原子と炭素原子を含む同様の層状構造を共有している。SiCは、炭化ホウ素に優れた機械的特性とより多くの商業的利用可能性を与えるダイヤモンドのような構造とは異なり、その構造中のケイ素原子ごとに3つの炭素原子を有することにより、炭化ホウ素と区別される。その結果、a-SiCは優れた機械的特性を誇り、b-SiCが登場するまで支配的となり、より溶解性が高くなった。

乾燥

炭化ケイ素は非常に硬い結晶材料で、様々な工業用途に使用されています。最も注目されるのは、非常に高い強度と硬度を持つため、研削砥石、切削工具、サンドペーパーなどの研磨材として一般的に使用されていることです。その他の用途としては、電気絶縁体、耐火物、セラミックなどがあります。

炭化ケイ素の製造は、まず原料のシリカと炭素を電気炉で加熱し、それらの化合物が結合して二酸化ケイ素と一酸化炭素ガスを発生させるところから始まる。

その後、熟練工がこのインゴットをさまざまな用途に応じたサイズ、形状、化学組成に選別・分類する。熟練工によって選別・分類されたインゴットは、研磨剤、冶金、耐火物などの産業で使用されるほか、ドーパントが添加されると半導体製造製品のドーパントになるなど、さらに加工されることもある。

インゴットに添加されるドーパントは、異なる物理的・電気的特性を持つ複数のポリタイプを作り出すことができる。ホウ素とアルミニウムはシリコンをp型半導体にし、窒素とリンはn型半導体を作る。

純粋な炭化ケイ素を製造するには、すべての工程に正確な注意を払わなければならない、複雑で細心のプロセスが必要です。研磨、冶金、耐火物産業で使用される炭化ケイ素で製造される耐火物は、粒度、バインダーの種類、純度レベル、密度レベル、気孔率の要件など、独自の仕様を持つことがよくあります。ワシントンミルズのチームは、お客様の個々のご要望を理解し、CARBOREX製品のあらゆる可能性を追求します。

焼結

炭化ケイ素は加工や研削が難しく、切断や研削にはダイヤモンド工具や超音波工具が必要です。さらに、そのデリケートな表面は、剥がれや欠けを避けるために慎重な取り扱いが必要です。その耐久性により、炉や窯の中で非常に高い温度に耐えることができます。

アチソン法。炭化ケイ素は、珪砂に炭素粉末コークスを混ぜて緑色または黒色の固体を作り、それを粉砕して微粉末にし、他の成分と混ぜて可塑剤を作り、二酸化珪素と炭素原子を結合させる。

焼結炭化ケイ素は、反応結合型よりも純度が高く、機械加工や成形が容易で、耐食性、耐摩耗性、耐熱衝撃性に優れています。そのため、幅広い産業用途で使用されている。

焼結技術は、先進的なエレクトロニクス・アプリケーションに広く使用されている。このため、大きな単結晶ブールが焼結工程を経て製造され、半導体デバイスに使用するウェハーに切断される。純粋な材料にホウ素やアルミニウムを混ぜて硬度や焼入れ性を高めることもある。

焼結により、割れにくい高強度セラミックを作ることができる。この種のセラミックは高温に強いだけでなく、硫酸やフッ化水素酸のような化学薬品にも高い耐性を示すため、焼結a-SiCと呼ばれています。炭化ケイ素の硬度、剛性、熱伝導性、硬度は、天体望遠鏡の鏡の材料としても望ましい。他の多くの鏡の材料とは異なり、自重で変形することなく温度変化にも安定性を保つため、小型の携帯型から巨大な宇宙天文台まで、さまざまな望遠鏡のモデルでガラスに取って代わることができる。