炭化ケイ素製品

炭化ケイ素(SiC)は、非常に硬く耐熱性のあるセラミックで、多くの望ましい特性を備えているため、耐熱性のある強力な材料を必要とする高性能用途に適しています。このような理由から、SiCは従来のセラミック・オプションよりもよく選ばれています。

アメリカンエレメンツは、軍事用、ACS用、試薬用、食品グレードの製薬研究用、研磨剤用など、多くのグレードのSiCを提供しています。

硬度

炭化ケイ素（SiC）は、高温での高い硬度と機械的安定性、低い膨張係数を持つ優れた熱伝導性、強力な耐食性と耐酸化性、結晶構造中の強い共有結合によって保持されたケイ素と炭素からなる四面体構造の組成など、多くの優れた物理化学的特性を持つ印象的なパフォーマンス材料です。これらの印象的な特性は、SiCの顕著な物理化学的プロファイルに集約されています。

1891年、アメリカの発明家エドワード・G・アチソンは、人工ダイヤモンドを製造しようとして炭化ケイ素を発見した。片方の電極に鮮やかな緑色の結晶が付着しているのを見て、彼は重要な発見をしたと確信し、ダイヤモンドに似た硬度を持つこの新しい化合物を「カーボランダム」と名付けた。

炭化ケイ素の高い融点、化学的慣性、耐熱衝撃性は、高温溶融金属や石油化学炉のような極端な温度差のある過酷な産業環境に適しています。さらに、その強度、耐久性、耐食性により、サンドブラスト噴射装置、ポンプベアリング、切削工具などのエンジニアリング用途にも有用です。

SiCは、純粋なシリコンと炭素の粉末を焼結する方法と、反応接合によって製造する方法があり、その形成方法が最終的な微細構造に大きく影響する。反応結合SiCは、SiCの混合物に液体シリコンを浸透させることによって形成される。この浸透された成形体は、炭素と反応して元の粒子と結合し、SiC粒子間に反応結合を形成する。焼結SiCは、純粋なSiC粉末を非酸化物の焼結助剤と混合した後、従来のセラミック成形プロセスを用いて高温で焼結することにより調製される。

適切な硬さ試験システムを使用することで、あらゆる種類の材料の硬さを測定することができます。硬さと引張強さなどの他の特性との相関関係を作成するには、まず硬さ試験結果を校正に使用したものと比較校正する必要があります。

圧子の種類、荷重、滞留時間の違いにより、材料の硬さ試験は大きく異なる可能性がある。したがって、硬さ試験は、重要な用途に使用される材料を選別する際の大まかな目安としてのみ使用すべきである。

耐食性

炭化ケイ素は、過酷な産業環境で優れた耐食性を発揮する非酸化物セラミックです。この材料の結晶構造は、酸素分子とその表面層との直接接触を防ぎ、経時的な腐食を回避するのに役立ちます。この特徴により、溶融塩や金属合金のような攻撃的な化学物質が炭化ケイ素を攻撃する可能性のある高温用途では、炭化ケイ素の価値は特に高くなり、耐火物、セラミックス、ガラス産業で炭化ケイ素を使用する主な利点となっています。

焼結炭化ケイ素(SSiC)は、耐食性に優れており、様々な酸（リン酸、硫酸、塩酸、硝酸）やアミンカリ、苛性ソーダなどの塩基に耐えることができます。さらに、低熱膨張率を特徴とし、高温用途では理想的な耐火物としての役割を果たすこともできる。また、ポンプ・バルブ・サンドブラスト・インジェクターや押出成形ダイの耐摩耗性材料としても一般的に使用されている。

サンドブラストSiCはカーボランダム版画によく利用される。カーボランダム版画では、ローラーからインクを捕捉する粒状の表面を持つセラミック版を使用して、紙に印刷されたマークを作り出す。さらに、炭化ケイ素は、高速の衝撃を緩和する能力があるため、防弾チョッキの衝撃吸収部材として長い間利用されてきた。

炭化ケイ素を主成分とする研磨材、耐火物、セラミックスの近代的な製造では、純度の高い珪砂に炭素コークスを混ぜた混合物を電気抵抗式炉内で炭素導体の周囲に置き、電流によってコークスの炭素と砂のケイ素が化学反応を起こし、高温で製品が焼結する。

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電気的特性

炭化ケイ素は、低温では金属と絶縁体の両方の働きをし、高温では半導体として電流を自由に通すというユニークな性質を持っている。

SiCは、特にその導電率の向上により、高電圧での電気アプリケーションに理想的な材料です。SiCのシステム損失とエネルギー消費の低減は、パワー・エレクトロニクス・デバイスをより小型でエネルギー効率の高いものにします。これはまた、システム全体のサイズと重量を減らしながら充電時間を短縮することで、電気自動車の急速充電システムにも役立ちます。

焼結炭化ケイ素の製造は、炭素材料と石油コークスや石英砂のような原料の混合物を、電気抵抗炉の中で非常に高い温度で化学反応させてSiCを形成することから始まる。一旦形成された粗原料は、その後、特定の用途に適した純度レベルを得るための更なる選別と化学処理の前に、必要な粒径と形状を達成するために粉砕と粉砕によって処理されなければならない。

例えば、六方晶の結晶構造とウルツ鉱(ZnCr2O4)形成を特徴とするα炭化ケイ素(a-SiC)は高温で、β炭化ケイ素(ZnSiC)は低温で形成される。

炭化ケイ素は、その電気的特性だけでなく、高温での化学的不活性さでも際立っており、自動車のブレーキやクラッチ、防弾チョッキや防弾チョッキなどのセラミック・アプリケーションにとって魅力的な候補となっている。高品位SiCは、これらの用途で遭遇する高い応力と温度に耐えることができ、より長い寿命と性能の向上を実現する。また、炭化ケイ素トランジスタは、シリコントランジスタに比べてはるかに高い耐圧を持ち、電力損失を低減して効率を高めます。炭化ケイ素の電気絶縁特性は、予測不可能な伝導挙動や致命的な故障を起こすことなく大電圧に耐えなければならない電気自動車の充電器に特に有利である。そのため、多くの電気自動車メーカーが製品に炭化ケイ素を採用している。

化学的慣性

炭化ケイ素（SiC）は、ケイ素と炭素の非常に硬い化合物で、天然には希少鉱物のモアッサナイトとして産出される。また、炭化ケイ素の粒をつなぎ合わせて、車のブレーキやクラッチ、防弾チョッキのプレート、防弾チョッキのライナーなどに使われるセラミック材料にすることもできる。最後に、SiCの大きな単結晶は、合成モアッサナイトとして知られている合成モアッサナイト宝石を製造するために焼結によって作成することもできます。

炭化ケイ素は、高温強度、低熱膨張性、耐腐食性を兼ね備えているため、さまざまな産業に適しています。ダイヤモンドや炭化ホウ素に次ぐモース硬度9を誇る炭化ケイ素は、研削砥石や紙・布製品などの研磨材や耐薬品性耐火物の製造に非常に人気のある材料です。

セラミック材料は、酸やアルカリ、溶融金属、ガラス攻撃、熱衝撃に対して優れた耐性を発揮します。さらに、気孔率がゼロで気孔密度が低いため、潤滑をほとんど必要とせず、過酷な環境下で作動しなければならないメカニカルシールやベアリングに適しています。

炭化ケイ素の高温での強度、剛性、剛性は、天体望遠鏡のミラー構造に使用するのに望ましい材料である。この万能材料の応用はまだ比較的新しいかもしれないが、ハーシェル宇宙望遠鏡のようないくつかの天文台ではすでに炭化ケイ素ミラーを採用している。さらに、炭化ケイ素の低熱膨張は、キルンライニングや炉壁、衛生陶器のようなセラミック製品に使用する際にも利点がある。

ジルコニアをベースとするSiC電解質材料は、電池技術を向上させる可能性があるとして、現在研究が進められている。これらは良好なイオン伝導性と構造的完全性を提供する一方で、最適な結果を得るためには調製プロセスに高い動作温度が必要である。ジルコニアIGBTはコスト面で普及を妨げているが、600Vを超える電力変換用途ではシリコンIGBTよりも有利である。