SiCセラミックスの作製プロセス

炭化ケイ素セラミックス構造用セラミックで最も広く使用されている材料の 1 つです。炭化ケイ素セラミックは、比較的低い熱膨張、高い比強度、高い熱伝導率と硬度、耐摩耗性と耐食性、そして最も重要なことに、1650℃もの高温でも良好な性能を維持できる能力により、さまざまな分野で広く使用されています。

炭化ケイ素セラミックスの一般的な焼結方法には、常圧焼結、反応焼結、および再結晶焼結が含まれます。

1. 反応焼結SiC(RBSiC)

反応焼結では、炭素源と炭化ケイ素粉末を混合して成形体を形成し、高温で液体シリコンを成形体に浸透させて炭素と反応させてβ-SiCを形成し、緻密化を実現します。ほぼゼロの収縮を示すため、大型で複雑な部品に適しています。また、低い焼結温度と低コストを誇りますが、遊離シリコンにより高温性能が低下する可能性があります。

反応焼結 SiC は、高強度、耐食性、耐酸化性などの優れた機械的特性を備えた非常に魅力的な構造用セラミックです。さらに、低い焼結温度、低い焼結コスト、ニアネットシェイプ成形を特徴としています。

反応焼結プロセスは簡単です。炭素源とSiC粉末を混合してグリーンボディを準備し、高温の毛細管力の下で溶融シリコンを多孔質グリーンボディに浸透させることが含まれます。この溶融シリコンはグリーンボディ内の炭素源と反応してβ-SiC相を形成し、同時に元のα-SiCと強固に結合します。残りの細孔は溶融シリコンで満たされ、セラミック材料の緻密化が達成されます。焼結中にサイズが縮小され、ニアネットシェイプの成形が実現され、必要に応じて複雑な形状の製造が可能になります。そのため、各種セラミックス製品の工業生産に広く使用されています。

用途としては、高温窯治具材、ラジアントチューブ、熱交換器、脱硫ノズルなどが反応焼結炭化ケイ素セラミックスの代表的な用途です。さらに、炭化ケイ素の低い熱膨張係数、高い弾性率、ニアネットシェイプ形成特性により、反応焼結炭化ケイ素はスペースミラーにとって理想的な材料でもあります。さらに、ウェーハサイズと熱処理温度の増加に伴い、反応焼結炭化ケイ素が徐々に石英ガラスに取って代わりつつあります。部分的にシリコン相を含む高純度炭化ケイ素 (SiC) 部品は、高純度炭化ケイ素粉末と高純度シリコンを使用して製造できます。これらの部品は、電子管や半導体ウェーハ製造装置の支持治具に広く使用されています。

2. 無加圧焼結SiC(SSiC)

無加圧焼結は固相焼結と液相焼結に分けられます。固相焼結では、B/C 添加剤を添加すると、高温で固相拡散緻密化が達成され、その結果良好な高温性能が得られますが、粒子が粗大化します。液相焼結では、Al2O3-Y2O3 などの添加剤を使用して液相を形成し、温度を下げることで、より微細な粒子とより高い靭性をもたらします。この技術は低コストでさまざまな形状が可能で、シールリング、ベアリング、防弾装甲などの精密構造部品に適しています。

無加圧焼結は、SiC の最も有望な焼結方法と考えられています。この方法は、さまざまな成形プロセスに適応でき、製造コストが低く、形状や大きさの制限がなく、最も一般的で量産が容易な焼結方法です。

無加圧焼結法は、微量の酸素を含むβ-SiCにホウ素と炭素を添加し、不活性雰囲気中で2000℃程度で焼結し、理論密度98％の炭化珪素焼結体を得る方法です。この方法には一般に、固体焼結と液体焼結の 2 つのアプローチがあります。無加圧固相焼結炭化ケイ素は高密度・高純度であり、特に独特の高い熱伝導率と優れた高温強度を有しており、大型で複雑な形状のセラミックデバイスへの加工が容易です。

無加圧焼結炭化ケイ素製品：（a）セラミックシール。 (b) セラミックベアリング。 (c) 防弾プレート

用途の観点から見ると、SiC の無加圧焼結は操作が簡単で、コスト効率が高く、さまざまな形状のセラミック部品の大量生産に適しています。これは、耐摩耗性および耐食性のシールリング、滑り軸受などに広く使用されています。さらに、無加圧焼結炭化ケイ素セラミックは、その高硬度、低比重、優れた弾道性能、破損後のより多くのエネルギー吸収能力、および低コストにより、車両や船舶の保護、民間の金庫や装甲トラックなどの防弾装甲に広く使用されています。防弾装甲材料として、複数回の衝撃に対して優れた耐性を示し、全体的な保護効果は通常の炭化ケイ素セラミックスよりも優れています。軽量の円筒型セラミック防護装甲に使用した場合、破断点は65トン以上に達し、通常の炭化ケイ素セラミックスを使用した円筒型セラミック防護甲に比べて大幅に優れた防護性能を発揮します。

3. 再結晶焼結SiCセラミックス（R-SiC）

再結晶焼結には、段階的な粗大および微細な SiC 粒子と高温処理が含まれます。微粒子は蒸発し、粗大粒子のネックで凝縮し、粒界不純物のない架橋構造を形成します。製品の気孔率は 10 ～ 20% で、熱伝導性と耐熱衝撃性に優れていますが、強度は低いです。体積収縮が少なく、多孔質の窯治具等に適しています。

再結晶焼結技術は、焼結助剤の添加を必要としないため、広く注目を集めています。再結晶焼結は、超高純度の大型 SiC セラミック デバイスを製造するための最も一般的な方法です。再結晶焼結SiCセラミックス（R-SiC）の作製プロセスは次のとおりです。粒径の異なるSiCの粗粉末と微粉末を一定の割合で混合し、スリップキャスト、成形、押出などのプロセスを経てグリーンブランクを作製します。その後、グリーンブランクを不活性雰囲気下、2200～2450℃の高温で焼成します。最終的に、微粒子は徐々に気相に蒸発し、粗大粒子との接触点で凝縮し、R-SiC セラミックスが形成されます。

R-SiC は高温で形成され、ダイヤモンドに次ぐ硬度を持っています。高い高温強度、強力な耐食性、優れた耐酸化性、優れた耐熱衝撃性など、SiC の多くの優れた特性を保持しています。したがって、高温の窯の家具、熱交換器、または燃焼ノズルの理想的な候補材料です。航空宇宙および軍事分野では、再結晶炭化ケイ素は、エンジン、尾翼、胴体などの航空宇宙車両の構造部品の製造に使用されます。優れた機械的特性、耐食性、耐衝撃性により、航空宇宙車両の性能と耐用年数を大幅に向上させることができます。

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