導入

炭化ケイ素セラミックス 近年、自動車産業において、その優れた硬度をはじめとする優れた特性により、SiCセラミックスが大きく発展しています。自動車技術と再生可能エネルギーの新たな発展により、これらの先進セラミックスを世界中の自動車製造業界で活用することが可能になりました。本日の記事では、自動車産業をはじめとする様々な産業におけるSiCセラミックスの利点、独自の特性、そしてその用途についてご紹介します。また、電気自動車（EV）におけるSiC半導体の役割についても解説します。最後に、SiCセラミックスの現在の市場動向についてもご紹介します。

炭化ケイ素セラミックスの特性

炭化ケイ素セラミックスは、シリコンと炭化物から作られる先進的なセラミック材料です。人工的にはカーボランダム、天然にはモアッサナイトが存在します。炭化ケイ素セラミックスといえば、まず思い浮かぶのは、その並外れた硬度と、極度の熱、酸化（錆）、温度といった過酷な条件への耐性です。興味深いことに、SiCウェハやSiCセラミックヒートシンクなどのSiC材料は、広いバンドギャップを有しており、他の材料と比較して熱伝導と電気伝導性に優れています。

不思議ではないが、 自動車産業 自動車、電気自動車、自動車エンジン、自動車部品、その他多くの関連機器の製造において、SiCセラミックスが急速に採用されています。その理由は単純です。炭化ケイ素セラミックス材料は、一般的な先進セラミックス材料よりもはるかに優れた性能と効率的な結果をもたらす傾向があるからです。

今日の多くの産業で役立つシリコンカーバイドの特性には次のようなものがあります。

• 電気と熱の優れた伝導体。

• 低密度

• 2,730℃の高い融点

• ダイヤモンドに次ぐ高い圧縮強度と硬度。

• 熱膨張率が低い。

• また、傷がつきにくい丈夫な表面も備えています。

• バンドギャップが広いため、高出力電子機器や電気自動車に適した半導体です。

• ヤング率は400GPa以上。

• 腐食や酸などの化学物質に対する高い耐性。

• 1,300℃に達する高温に耐える能力。

炭化ケイ素セラミックスが様々な産業にもたらすメリット

炭化ケイ素セラミックは、自動車産業、化学産業、エンジニアリング会社、冶金産業、プラスチック産業など、さまざまな産業に多くの有益なメリットをもたらします。

ここで、シリコンカーバイドセラミックの応用によって得られる利点をいくつか紹介します。

• 自動車や重工業機械の熱を迅速かつ効率的に放散する方法を提供します。つまり、自動車の製造に炭化ケイ素セラミック材料を使用すれば、自動車が過熱することはありません。

• 自動車や重工業機械、エンジン、スペアパーツなどでは、SiC の圧縮硬度と強靭性を利用して、耐用年数を延ばしています。

• SiC 素材は電気伝導性が極めて優れているため、電気自動車に非常に適しています。

• 自動車用セラミックは摩擦係数が低いため、機械的なストレスや摩耗から自動車を守ります。

• 熱膨張係数が低いため、車や機器は熱衝撃に対して優れた反応を示します。

• これらの SiC 材料は、高い熱安定性と熱伝導性を備えているため、高温または不安定な温度の悪条件や環境でも熱による損傷を受けることなく使用できます。

• これらの炭化ケイ素セラミックは、セラミック業界で強力なマニキュアやプラスチック材料の製造に使用できます。

• シリコンカーバイドのウェーハとヒートシンクを使用して高出力電子機器、電気自動車、自動車を生産すると、コストと時間を節約できます。

• シリコンカーバイドのウェハーとチップは、自動車の電力変換率を高めることができます。

• 自動車や電気自動車は、車載充電器や DC/DC コンバータに SiC 素材を使用することで、エネルギーをより効率的に管理できるようになります。

• システムを管理するシリコンカーバイド ウェハ チップのおかげで、携帯電話、電気自動車、最新のコンピューターはより高速になり、生産性が向上します。

• 自動車用セラミックの高速放熱によりブレーキ故障が減少します。

• SiC 材料を使用すると、熱損失が低減し、熱安定性が向上するため、燃料消費量が削減されます。

• シリコンカーバイド ウェーハは、メーカーがサイズを縮小し、軽量の機械やデバイス コンポーネントを製造するのに役立ちます。

自動車産業におけるセラミックスの応用

近年、自動車産業における炭化ケイ素セラミックスの用途は飛躍的に増加しています。強靭で信頼性の高い自動車の製造を目指すエンジニアリング企業は、主にこれらの材料の強度と硬度に依存しています。ピストントップ、自動車の排気管、自動車のドア、エンジン、スペアパーツ、半導体チップ、シリンダーおよび窯のライニング、吸気マニホールドなどは、炭化ケイ素セラミックスが使用されている機器の一部です。用途には以下が含まれます。

エンジンとエンジンコーティング

エンジンは、システム全体に影響を与えることなく適切に熱を伝導することで、最適に機能します。これは、炭化ケイ素のような先進セラミック材料のユニークな特性です。これらの材料は、優れた熱伝導性と安定性を備えながら、構造を維持します。そのため、大型エンジンや自動車の排気管のコーティングに使用したり、これらのエンジンの製造に使用したりできます。

ピストンズ

ピストンなどの自動車用セラミックにSiCコーティングを施すと、熱反射率が向上します。その仕組みは？燃料の燃焼頻度が上がり、カーボンの蓄積が軽減されるからです。

シリンダーヘッド

排気ポートとシリンダー ヘッドからの高強度チャンバーは、より速い速度で熱を循環させるのに役立つセラミック コーティングのおかげで、よく燃焼します。

ピストンスカート

耐摩耗性と耐傷性は、炭化ケイ素セラミック材料の主な特性です。そのため、エンジンブロックとピストンスカートを炭化ケイ素材料でコーティングすることで、摺動面が乾燥し、保護性能が向上します。

吸気マニホールド

自動車業界では、吸気マニホールドのコーティングに炭化ケイ素セラミック材料を使用すると、空気と燃料の混合温度が下がるため、通常、熱の浸透レベルが低下します。

電気自動車（EV）におけるシリコンカーバイド半導体の役割

シリコンカーバイド電池とシリコンカーバイドウエハ（半導体）のおかげで、電気自動車は自動車技術における最新のセンセーションの一つとなりました。小型でコンパクト、そして軽量に見えますが、一般的な自動車と比較して、優れたスイッチング速度と低い電力損失により、より高い効率性を実現しています。熱安定性、迅速かつ効果的な放熱性、安定した電気伝導性と熱伝導性といったシリコンカーバイド半導体の独自の特性は、メーカーが小型でシンプルでありながら安価な電気自動車の設計において、シリコンカーバイド半導体を真に有力な選択肢とみなす理由となっています。電気自動車は、充電回路、シリコンカーバイドウエハ（チップ）、電池、またはインバーターによって適切に機能します。

報道によれば、テスラは2017年にモデル3で新境地を開き、シリコンカーバイドドライブトレインインバーターを生産した初の電気自動車メーカーとなったという。

これらのインバーター、あるいはSiCバッテリー（お呼びいただければ）は、電気自動車が持つ電気エネルギーを電気自動車を動かす電力へと素早く変換することで、電気自動車に動力を与えます。そのため、充電を必要とする炭化ケイ素（SiC）バッテリーがなければ、電気自動車の車輪は一ミリも動きません。これは、これらのSiC半導体が、電気モーター、バッテリーパック、その他のコンポーネント間の電気エネルギーの流れを制御する頭脳のような役割を果たしているからです。

平均的な自動車は約500～600 半導体チップ, その結果、より多くの熱が発生します。そのため、この熱をより速く、より効率的に伝達できるチップの需要が高まっています。シリコンカーバイド半導体チップは、発生する熱を効果的に管理し、システムに影響を与えることなく迅速に放散できるため、この問題に対する非常に有用なソリューションとなっています。現在見られる新型電気自動車には、約2,000個のシリコンカーバイド半導体チップが搭載されています。電気自動車の密度、出力、エネルギー変換効率は明らかに向上しており、熱伝導率と安定性も向上しています。

炭化ケイ素セラミックスの現在の市場動向

シリコンカーバイドセラミックス市場は現在、1兆4,127億米ドルと評価されています。これは非常に印象的な数字ではないでしょうか？経済学者は、需要と市場競争の著しい増加を背景に、年間複合成長率を5兆25,100億米ドルと推定しています。また、2030年までに少なくとも1兆4,200億米ドルに達すると予測されていることも、近年の市場が好調であることを示しています。富士電機やロームなどのアジア企業が、このSiC市場の主要プレーヤーとして台頭しています。

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よくある質問

炭化ケイ素は水に溶けますか？

いいえ、水には溶けませんが、溶融鉄と水酸化カリウム（KOH）には溶けます。

シリコンカーバイド電池とリチウムイオン電池ではどちらが良いのでしょうか？

SiC バッテリーは、一般的なリチウムイオン バッテリー タイプと比較して優れている傾向があります。その理由は、SiC バッテリー (炭化ケイ素バッテリー) は、充電が速く、寿命が長く、エネルギー密度が高く、同等のバッテリー (リチウムイオン) よりも強力であるからです。

窒化ガリウム (GaN) と炭化ケイ素 (SiC) の違いは何ですか?

これら 2 つの半導体材料は特性が似ていますが、炭化シリコンのバンドギャップは 3.4 eV と広く、窒化ガリウムのバンドギャップは 3.4 eV です。

結論

炭化ケイ素セラミックは現在、世界経済と世界中の多くの産業に大きな影響を与えています。自動車用セラミックは、低コストでありながら高効率な電気自動車や自動車の製造に利用されるようになり、高性能炭化ケイ素ウエハー、炭化ケイ素半導体やバッテリー、車載充電器、ピストンコーティングの改良に至るまで、自動車産業の様相を一変させました。炭化ケイ素セラミックはまさにゲームチェンジャーです。