導入
炭化ケイ素（SiC）は、今日最も多く利用されている先進セラミック材料の一つです。優れた硬度と高い熱伝導率といった優れた特性により、SiC材料の需要と生産量は増加しています。最新技術の進歩により、SiC粉末の常圧焼結法や反応焼結法によって炭化ケイ素を工業的に生産することが可能になりました。本日の記事では、常圧焼結SiC材料の概要、特性、用途、そしてSiCや他の材料との比較について解説します。また、反応焼結法と常圧焼結法によるSiC製造方法の違いについても解説します。最後に、常圧焼結SiCの現在の市場動向についても解説します。
焼結シリコンカーバイド
焼結シリコンカーバイド（SSIC）は、高純度の微細シリコンカーバイド粉末を焼結して固体セラミック材料にすることで得られるシリコンカーバイド材料の一種です。工業的には、高温・高圧下で焼結することが可能です。SSIC材料は、優れた圧縮強度と硬度、高い熱伝導性、そして耐薬品性と耐錆性を備えています。高精度、高温、そして熱安定性が求められる用途において、SSIC材料は大きなメリットをもたらします。SSIC材料には、主に常圧焼結シリコンカーバイドと反応焼結シリコンカーバイドがあります。
常圧焼結炭化ケイ素とは何ですか?
加圧焼結炭化ケイ素 超微細高純度炭化ケイ素粉末を大気圧下の真空雰囲気下、1980℃～2200℃の高温で焼結して製造される焼結SiC材料のグレードです。その名の通り、これらの材料の製造には外部からの圧力は必要ありません。場合によっては、加圧成形時にアルミナ（Al2O3）や炭化ホウ素（B4C）などの焼結助剤を使用することで、SiC粉末を高い熱安定性を持つ固体セラミック材料に融合させることができます。無加圧焼結により、製造時に密度が理論密度の95%を超えるため、セラミック材料は非常に高密度になります。
常圧焼結炭化ケイ素の特性
加圧なし焼結 SiC 材料の独自の特性は次のとおりです。
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硬度が高い
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3103Kの高い融点
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密度3.21g/cm³
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耐腐食性、耐化学物質性に優れています。
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200 Wm-1k-1以上の高い熱伝導率
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410 GPaに達する大きな弾性率
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1,600℃に達する高温に耐える能力
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約3000MPaの高い圧縮強度
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99%のSiC純度値
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気孔率が0.2%未満
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ビッカース硬度2,500HVO.5
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熱膨張係数4×10-6i°C
炭化ケイ素の反応焼結と常圧焼結の比較
焼結シリコンカーバイド材料を工業的に製造するには、主に2つの方法があります。それは、反応焼結と常圧焼結です。
炭化ケイ素の反応焼結
このタイプのSSIC材料は、グラファイトとα-SiC微粒子を所定量混合することで製造できます。その後、1650℃まで加熱すると、α-SiCがグラファイト本体の炭素と反応してβ-SiCを形成します。その後、シリコンが完全に浸透し、残りの細孔が充填されて反応焼結SSIC材料が製造されます。このプロセスは、加圧しないSSIC材料に比べて高速でコストも削減できます。低 焼結温度 これらの反応焼結SSIC材料を製造するには、これら全てが必要です。反応焼結プロセスは大型材料の製造に効果的ですが、生成される材料は通常、均一な密度にはなりません。中には最終製品化後にひび割れが発生するものもあります。また、反応焼結プロセスは環境に優しくありません。反応焼結SSIC材料は気孔率が高いため、常圧焼結SSICに比べてガスや液体の透過性が高く、環境にも悪影響を及ぼします。
炭化ケイ素の無加圧焼結
SSIC材料は、高純度の超微細SiC粉末を加熱して固体にする無加圧焼結によって製造できます。 セラミック材料. これは、固相焼結と液相焼結の2つの方法で行うことができます。
固相焼結
このタイプの焼結では、ホウ素と炭素といった添加剤と呼ばれる2つの固溶体が存在します。ホウ素はSiC界面のブレイン境界エネルギーを低下させ、炭素はSiCが存在する界面から二酸化ケイ素（シリカカーバイド）を除去し、表面エネルギーを増加させます。固相焼結では、アルミナ（Al₂O₃）、窒化ホウ素（BN）、または炭化ホウ素とアルミナの組み合わせなどの添加剤が使用されます。
液相焼結
この段階では、Y2O3-Al2O3などの様々な共晶酸化物を添加剤として、または単体として使用することができます。この段階は低温でより効果的に機能します。SiCの緻密化は、共晶点が低いことで生じるSiC粒子の移動、拡散、および質量移動によって実現されます。
いくつかの メーカー 液相焼結法は熱安定性に優れ、必要な原材料が少なく、生産コストが低いため、固相焼結法よりも好まれます。
総じて、シリコンカーバイドの無加圧焼結は、高純度で密度に優れたSSIC材料を提供します。つまり、高温電子機器を製造する産業や、高精度と熱安定性が求められる用途にも活用できます。ただし、製造時間とコストを削減したい場合は、反応焼結法による焼結SiCの製造を選択できます。したがって、この2つのどちらを選択するかは、お客様の目的と用途に応じて異なります。
焼結炭化ケイ素と炭化ケイ素の比較
焼結炭化ケイ素（SSIC）は、超微細高純度SiC粒子を焼結して硬質超固体セラミック材料に製造されるSiCセラミック材料の一種です。一方、炭化ケイ素（SiC）は、 先進セラミック材料 シリコンと炭化物から作られています。SiCは、人工的にカーボランダムとして、または天然にモアッサナイトとして存在します。現在、この2つの元素（シリコンと炭素）は、ハイテク産業において高熱下で化学的に結合し、高い圧縮強度、硬度、熱安定性、耐腐食性、耐薬品性を備えたセラミック材料を生み出しています。SiC材料は主に、研磨材、セラミックヒートシンク、機械部品、航空宇宙および自動車エンジン部品などの強靭な表面硬化材料の製造に使用されています。
SSIC 材料は、高熱によってさらに強化され、多孔性が減少し、電気伝導性と熱伝導性がシリコンカーバイド部品に比べて大幅に向上しているため、一般にシリコンカーバイド材料よりも優れています。
加圧焼結炭化ケイ素の用途
常圧焼結シリコンカーバイドは、今日、様々な分野で非常に多くの用途に使用されています。その一部をご紹介します。
製造業
これらの高性能な無加圧 SSIC 材料を使用して、重工業機械のシール リング、スライド ベアリング、および耐摩耗性に優れた部品を製造できます。
電気産業
今日の電気業界では、これらの SSIC セラミック材料は圧縮強度に優れ、過酷な条件でも耐える能力があるため、半導体、武器や砲兵、高温パワーエレクトロニクスや機器の製造に使用できます。
冶金産業
常圧焼結シリコンカーバイドは、迅速な熱伝導や電気伝導を必要とする金属器具や装置の製造に使用できます。セラミックヒートシンク、燃焼ノズル、窯のライニング部品などの材料として使用できます。
ガラス産業
窓、車のフロントガラス、サイドミラー、光学機器などのガラス製の材料はすべて、無加圧焼結 SiC 材料から作ることができます。
加圧焼結炭化ケイ素の現在の市場動向と市場価値
世界経済を見ると、無加圧焼結シリコンカーバイド市場は驚異的な成長率を示しています。なぜでしょうか？それは、現在市場にはシリコンカーバイドセラミックとその様々なグレード（無加圧焼結シリコンカーバイド材料を含む）に代わる優れた代替品が存在しないからです。
2023年の世界無加圧焼結SiC市場は1兆423億米ドルと評価され、市場規模は1兆430億米ドルを超える大きな市場となりました。投資を検討されている方は、2024年から2030年までの期間における年平均成長率（CAGR）が8.51兆3000億米ドルであることを踏まえ、2030年までに市場規模が1兆438億米ドルに達すると予想されます。
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よくある質問
炭化ケイ素は何度の温度で焼結しますか?
炭化ケイ素は 1950°C ～ 2200°C の温度で焼結します。
シリコンカーバイド材料には制限がありますか?
はい、強度が高いため、非常に脆くなり、強い衝撃や機械的ショックに対して反応が悪くなる傾向があります。
SiCの剛性はどのくらいですか？
炭化ケイ素材料の剛性は約440GPa～490GPaです。これは、あらゆる機械的ストレス下でも元の形状を維持できることを示しています。
結論
常圧焼結シリコンカーバイドは、低コストでありながら効果的なシリコンカーバイドセラミック材料です。優れた機械的特性、超高純度、高い密度、そして様々な分野における多様な用途により、近い将来、イノベーションによって確実にさらなる高みへと到達するでしょう。これらのシリコンカーバイド材料と製品にご注目ください。