炭化ケイ素ウィスカー

炭化ケイ素ウィスカーは、卓越した物理的・化学的特性を持つミクロンサイズの単結晶粒子であり、高温構造材料や工具用セラミックスなど、さまざまな分野で幅広く応用されているため、大きな研究関心を集めている。

ムライトセラミックは化学的に非常に安定した耐火物で、高硬度や耐温度クリープ性などの優れた機械的・物理的特性を有していますが、破壊靭性は比較的低いままです。SiCウィスカーはこの特性を著しく向上させます。

物理的性質

炭化ケイ素ウィスカーは、その構造がダイヤモンドに似ているミクロンサイズの単結晶繊維で、高強度、高剛性、耐薬品性、温度安定性というユニークな性質を持ち、セラミックス、金属、ポリマー複合材料の優れた補強材料となっている。

鉱物フィラーはセラミックを強化するために使用することができ、同時にセラミックの延性と硬度、耐酸化性、熱膨張率、破壊靭性を向上させる。さらに、ポリマーマトリックス複合材料に添加することで、フィラーの必要量を減らすと同時に、割れ、へこみ、疲労損傷に対する耐性を高めることができる。

ウィスカーは、シリカの炭素熱還元、ハロゲン化ケイ素とCCl4の化学反応、金属触媒を用いたCVDなど、さまざまな手法で製造できる。残念ながら、その品質や寸法は、凝集や異方性によって制限されることが多い(Wright, 2006)。より高度なプロセスとしては、気相-液相-固相成長があり、これによってウィスカーを多孔質基板の孔の奥深くに配置することができ、望ましい特性が得られる。

ウィスカーを取り扱う作業員への危険性を確認するため、ウィスカーを調査し、空気中の産業副産物繊維と比較した結果、SiCウィスカーに重大な呼吸器への危険性は認められなかった。研究の結果、SiCウィスカーは取り扱いに際して大きな危険性はないと結論づけられた。

化学的性質

炭化ケイ素は、カーボランダムとして知られる研磨材として、1891年にEdward Achesonによって初めて人工的に合成された（Encyclopedia Britannica, 2014）。それ以来、高温で加熱された石英砂と炭素を使用して、炭化ケイ素の大規模なバッチを形成するために大量生産されています。炭化ケイ素は、その卓越した強度、重量、高温での安定性だけでなく、放射線被ばくに対する耐性が高いため、いくつかの産業分野で使用されています。セラミックシールやサンドブラストノズルは、炭化ケイ素を使用し、耐久性は特にアスベスト物質の代替となります。

炭化ケイ素（SiC）は、ケイ素と炭素からなる半金属化合物で、融点は2260℃、蒸気圧が低いため水に溶けず、アルコールやエーテルに溶けるが、常温で空気に触れると急速に劣化するため、経時劣化が激しい。SiCは、サンドペーパー、サンドブラスト用具、研削砥石、その他の機械加工用具などのコーティング用具の研磨剤として使用されている。

SiCウィスカーは細胞に対して危険な毒性を持ち、細胞膜を破壊して細胞死に至ることがある。マウスの繊維芽細胞を使った研究では、DNAの突然変異を誘発し、細胞のDNA含有量を増加させ、悪性形質転換を引き起こすという細胞毒性が実証された。ヒトの繊毛気管上皮細胞に対してテストしたところ、アスベストや硫化ニッケルなどの工業副産物繊維よりも毒性が高いことが証明されたが、タルクや二酸化チタンよりは有害性が低い。

機械的特性

炭化ケイ素ウィスカーは理想的な強化材料であり、セラミックス、金属、ポリマー複合材料の強靭化に最適です。その特性には、高強度、高硬度、化学的不活性、耐熱性などがあり、工具、エンジン部品、耐摩耗性セラミックスとして広く研究されているシリコンオキシカーバイドセラミック材料のような材料の耐酸化性も改善されます。これらは、籾殻のような廃棄物の炭素熱還元、CVD、燃焼によって合成された結晶の化学、構造、サイズによって異なります。

しかし、その機械的特性は、モノリシック結晶シリコン（c-Si）で見られるものには遠く及ばない。これらの材料の引張強度と疲労強度を向上させるために、研究者たちは、圧縮強度と引張強度を向上させ、破壊時の応力集中を減少させるために、有機材料やSiCウィスカーと呼ばれる無機繊維で材料を改良してきた。この改良により、圧縮強度が大幅に向上し、同時に破壊時の応力集中が減少した。

ガラス・セラミック・マトリックスへのSiCウィスカーの添加は、ガラス形成の容易さを維持し、トライボロジー性能を向上させながら、その強度と靭性を著しく向上させる。さらに、ヒュゴニオ弾性限界だけでなく、延性も数桁向上させることができます。さらに、その破壊形態は、多くのディンプルやティアエッジを示すことで、延性挙動を示しています。

熱特性

炭化ケイ素(SiC)は、ケイ素と炭素からなる非常に硬い化合物で、天然にはモアッサナイトという宝石として存在するが、1893年以来、研磨剤として使用するために粉末や結晶の形で大量生産されている。炭化ケイ素はまた、自動車のセラミック製ブレーキディスクや防弾チョッキ、ポンプシャフトのシールなど、高い耐久性を必要とする用途にも使用されている。

SiCウィスカーの熱特性は、その微細構造、表面化学、サイズに大きく依存します。低い蒸気圧と1650℃までの安定性を持つこのウィスカーは、金属やポリマーのような様々な材料の補強材として使用することができます。

SiCウィスカーの微細構造の分析は、走査型電子顕微鏡とX線回折を用いて行うことができる。さらに詳しく調べた結果、結晶領域はアモルファス領域よりも高い平面欠陥密度を有しており、これはPI-SiCwナノコンポジットの引張および曲げ破壊面の両方に大きな影響を及ぼす1 1 1面上に形成されたミクロ双晶によるものであることがわかった。