導入：
製造業で大きな話題となっている先進セラミック材料の一つが、炭化ケイ素（SiC）セラミックです。この発見は科学界を沸き立たせています。これは、特にパワーエレクトロニクス分野において、産業界の多くのニーズに応える先進セラミック材料です。
炭化ケイ素の起源
今日炭化ケイ素として知られる先進的な半導体は、1891年にエド・アチソンによって偶然発見されました。彼はダイヤモンドに代わる物質を提供したいと考えていたアメリカの科学者でした。彼の目的は明確でしたが、彼の実験の結果、炭化ケイ素が生み出されました。これは、それまで誰も発見していなかったため、彼の名声を高めました。
炭化ケイ素は、1893年にモアッサン・アンリによって隕石中に天然鉱物として存在することが発見されました。この発見から、別名モアッサナイトという名前が生まれました。この発見と、その成分が星屑に似ていることから、炭化ケイ素は「天空の宝石」と名付けられました4。
図1: 隕石の破片
炭化ケイ素の商業的製造
炭化ケイ素セラミックは、商業規模で合成生産可能です。炭化ケイ素の合成法には2つの方法が知られています。1つは1955年にアンソニー・レリーが考案したレリー法（結晶成長技術とも呼ばれます）で、もう1つは化学気相法です。
図2: 炭化ケイ素の共有結合
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レリー法： これは半導体産業向けのシリコンカーバイド結晶の商業生産プロセスです。シリコンカーバイド粉末を坩堝内でアルゴンガスを用いて昇華・加熱し、非常に高温にします。その後、結晶は坩堝中央の低温の棒に付着します。
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化学蒸気法： これは、冶金産業や採掘産業で高純度の製品を製造するために採用された方法です8。化学気相法では、制御された環境下でシリコンと炭素原子を分解します。この方法によって生じる不完全な分解から、半導体産業で使用されるシリコンカーバイド基板が生成されます7。
半導体セラミックとしての炭化ケイ素の多様な側面
炭化ケイ素は、カーボランダムとも呼ばれる物質です。炭化ケイ素半導体、SiC、セラミックSiC、炭化ケイ素基板など、様々な名称で知られています。この先進セラミックの様々な特性について説明する際に、これらの名称を頻繁に使い分けます。
しかしながら、この物質をどのような名前で呼ぼうとも、その基本的な特徴は変わりません。ここでさらに詳しく検討するSiCセラミックの特徴は、化学的、物理的、そして機械的な特性（性質）です。
炭化ケイ素（SiC）の化学的性質： 炭化ケイ素は、ケイ素と炭素イオンが強く結合した化合物です。この先進セラミックは、その強固な結合により化学的に不活性です。また、その化学構造のバンドギャップが大きいため、半導体セラミック（sicセラミック）として高い性能を発揮します。
つまり、SiCは他の化学物質、特に酸やアルカリによって容易に分解されません。SiとC原子の四面体結合により、SiC基板1が形成されます。その結果、SiCは製造分野、特に半導体に適した必要な内部組成を備えています。
また、塩分やアルカリに対しても非常に耐性があり、水には溶けません。しかし、溶融鉄や一部のフッ化水素酸には溶解します。
電子的には、セラミック IC の固有キャリア密度は非常に低く、これにより高温動作への適合性が向上します。
物理的特性: これらは、物質の色、形、質感に容易に反映されます。カーボランダムは宝石であり、その多様な色合いがそれを物語っています。ダイヤモンドと同様に、その輝きが高く評価されており、色は4から7まで等級分けされています。また、緑がかった輝きはダイヤモンドと見間違えることもあるので注意が必要です。
熱特性からSiCTE（SiC-CTE）とも呼ばれるSiC（SiC-CTE）材料は、高い電気伝導性を示すことで知られています。SiC-CTEは熱係数を定義するため、SiC-CTEはSiC-CTEよりも高い熱伝導率を示すとされています。また、沸点と融点も非常に高いです。
炭化ケイ素の機械的特性： 炭化ケイ素は非常に硬い材料です。実際、最も硬い物質です2。炭化ケイ素はダイヤモンドに次いで硬い材料として知られています。炭化ケイ素中のケイ素原子と炭素原子の共有結合により、非常に硬くなります8。炭化ケイ素セラミックは、耐腐食性と耐衝撃性が非常に高いと考えられています。
SICCセラミックは重量があり、吸収力も高いです。
カーボランダムと多型性： SiCセラミックは、ポリタイプ現象2と呼ばれるプロセスによって異なる構造に結晶化し、先進セラミックのポリタイプを生成します。炭化ケイ素におけるポリタイプの形成は、炭素とシリコンの表面特性の違いに起因します5。
SiCセラミックの多形は、移動度、バンドギャップ、電子特性において際立った特徴を有しています。また、結晶の積層構造においても差別化が図られています2。炭化ケイ素の結晶特性は、高貴な宝石であるカーボランダムの形成に寄与しました。
シリコンカーバイドを音響材料の開発に使用することで、SiC セラミックポリタイプの可動性が実証されています。
図3: SiCセラミック結晶
SICC（炭化ケイ素）の用途：
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SiCセラミックは、防弾装備の製造に使用される最高級の先進セラミック材料の一つと考えられています。防弾チョッキなどの防弾服もその例外ではありません。ほとんどの防弾チョッキは、防弾チョッキの表層に先進セラミック材料を使用しています。これは、半導体が弾丸などの高速の弾丸を偏向させる能力を持っているためです9。
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SiC CTEは、バイオメディカルおよび生化学システムに導入されている微小電気機械システム（MEMS）技術のコーティングとして使用されています10。発電機や音響機器など、MEMS技術から生まれた電気製品には、SiC CTEのこのような特性が求められます。SiC CTEを選択する目的は、製造におけるコスト効率と信頼性の両立です8。
図4: 発電機部品におけるシリコンカーバイド半導体
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炭化ケイ素は、建築用に使用される耐久性の高いレンガの製造に使用される、信頼性の高い先進セラミック材料です。レンガの製造に使用される粘土に含まれるシリコンが、レンガに先進的なセラミック特性を与えます。レンガは、建築構造物の強度、耐久性、そして良好な通気性を実現するために建設に使用されています11。
図5：シリコンカーバイド半導体（ブリック）
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航空業界は、機器の品質と耐久性を重視することで知られています。そのため、航空機の製造に使用される材料にはシリコンセラミックコーティングが使用されています。これにより、航空機は高速の風や航空機の力に耐えられる強度を確保しています。また、適切な重量のシリコンセラミックを使用することで、航空機の浮揚性も確保されています。
図6: sicセラミックから製造された航空機部品
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SIcセラミックなどの先進セラミック材料は、その物理的特性と微細構造特性から第一の選択肢となっています。発電機などの電気機器の重要部品や外科用器具の製造に適切に活用されています。薄膜として使用することで、材料の長寿命化と耐摩耗性を維持します。
図 7: 電子機器における Sic の使用。
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この記事の冒頭で、炭化ケイ素はカーボランダムとも呼ばれていることを述べました。カーボランダムという用語は、特にジュエリーに使用されるSiCセラミックを指します。ダイヤモンドの優れた代替品として、カーボランダムは婚約指輪の製作に非常に好まれています。ダイヤモンドよりも安価ですが、その存在感はダイヤモンドに劣りません！
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シリコンカーバイドは高電圧に対応できるため、電気自動車や太陽光発電自動車に適しています。シリコンカーバイドは非常に高い熱伝導率を有し、電気自動車の構成部品間の放熱を促進します12。電気自動車（EV）の充電器に使用されるシリコンカーバイドセラミックは、他の構成部品への要求を低減することで効率を向上させます12。
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SiCセラミックは光触媒プロセスに有用です。これは、光エネルギーを光合成に利用することで熱力学的プロセスを促進する方法です。光触媒プロセスは、産業活動から生じる化学物質や毒素への環境曝露を低減するのに役立ちます。このように、炭化ケイ素は環境保護に役立つツールです13。
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シリコン系セラミック材料は硬度が高いため、研磨材として使用できます。研磨材自体には、引張強度と耐久性の両方が求められます。シリコン系セラミックのような研磨材は、建設分野や技術分野など、様々な分野で使用されています。研磨材の例として、柔らかく粗い表面を滑らかにするために使用されるサンドペーパーが挙げられます14。
図8：シリコンカーバイド研磨材 - サンドペーパー
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炭化ケイ素は切削材料の製造にも使用されます。非常に硬いため、他の物体を切削する際にも耐腐食性があります。炭化ケイ素セラミックでコーティングされた材料は、硬質材料の切削において高い精度と硬度を実現します。また、切削に使用される炭化ケイ素セラミックは、繰り返し使用しても摩耗や腐食が起こりにくいという特徴があります。
使用上の課題 炭化ケイ素には次のようなものがあります。
Ø 炭化ケイ素は非常に希少な材料です。そのため、その入手は商業生産に依存しており、ほとんどの場合、不純な化合物が生成されます。
Ø 炭化ケイ素の生産コストは高く、これはそれを必要とする産業家による購入コストの高さに反映されています。
結論：
シリコンカーバイドは非常に優れた発見であり、その様々な用途において大きな影響を与え続けています。さらなる技術進歩により、より安価な製造方法が開発され、より多くの産業に利用できるようになることを期待しています。