炭化ケイ素セラミックスの特殊な製造技術

炭化ケイ素（SiC）セラミック材料は、高温強度、強力な耐酸化性、優れた耐摩耗性、熱安定性、低熱膨張係数、高熱伝導率、高硬度、耐熱衝撃性、耐化学腐食性など、さまざまな優れた特性を備えています。これらの特性により、SiC セラミックスは自動車、機械および化学産業、環境保護、宇宙技術、情報エレクトロニクス、エネルギーなどのさまざまな分野でますます応用可能になっています。SiCセラミックスその優れた性能により、多くの産業分野でかけがえのない構造用セラミック材料となっています。

機能を高める構造上の特徴は何ですかSiCセラミックス?

の優れた特性SiCセラミックスそれらはその独特の構造と密接に関係しています。 SiC は非常に強い共有結合を持つ化合物で、Si-C 結合のイオン性はわずか約 12% です。これにより強度が高く、弾性率が大きくなり、耐摩耗性に優れます。純粋な SiC は、HCl、HNO3、H2SO4、HF などの酸性溶液や NaOH などのアルカリ性溶液によって腐食されません。空気中で加熱すると酸化しやすくなりますが、表面にSiO2層が形成されることでさらなる酸素の拡散が抑制され、酸化速度が低く抑えられます。さらに、SiC は半導体特性を示し、少量の不純物が導入されると良好な電気伝導性を示し、優れた熱伝導性を示します。

SiC のさまざまな結晶形はその特性にどのような影響を与えるのでしょうか?

SiC は 2 つの主な結晶形、α と β で存在します。 β-SiC は立方晶の結晶構造を持ち、Si と C が面心立方格子を形成しています。 α-SiC には 4H、15R、6H を含む 100 以上のポリタイプが存在し、産業用途で最も一般的に使用されるのは 6H です。これらのポリタイプの安定性は温度によって変化します。 1600℃未満では、SiCはβ型で存在しますが、1600℃を超えると、β-SiCは徐々にさまざまなα-SiCポリタイプに変化します。たとえば、4H-SiC は約 2000°C で形成されますが、15R および 6H ポリタイプは容易に形成するには 2100°C 以上の温度が必要です。 6H ポリタイプは 2200°C を超えても安定しています。これらのポリタイプ間の自由エネルギーの差が小さいということは、たとえ少量の不純物でも熱安定性の関係が変化する可能性があることを意味します。

SiC粉末の製造技術とは何ですか?

SiC粉末の調製は、原料の初期状態に基づいて固相合成と液相合成に分類できます。

固相合成にはどのような方法がありますか? 

固相合成には主に炭素熱還元と直接的なシリコン-炭素反応が含まれます。炭素熱還元法には、アチソン法、縦型炉法、高温回転炉法などがあります。アチソンによって発明されたアチソンプロセスは、アチソン電気炉内で、高温および強電場下での電気化学反応によって駆動される炭素によるケイ砂中のシリカの還元を伴う。この方法は 100 年以上にわたる工業生産の歴史を持ち、生成する SiC 粒子は比較的粗く、消費電力が高く、その多くが熱として失われます。

1970年代のアチソンプロセスの改良により、1980年代にはβ-SiC粉末を合成するための縦型炉や高温回転炉などが開発され、1990年代にはさらに進歩しました。大崎ら。 SiO2 と Si 粉末の混合物を加熱することで放出される SiO ガスが活性炭と反応し、温度が上昇し保持時間が延長されると、より多くの SiO ガスが放出され、粉末の比表面積が減少することを発見しました。自己伝播型高温合成を応用した直接シリコン炭素反応法では、反応体を外部熱源で点火し、合成中に放出される化学反応熱を利用してプロセスを維持します。この方法は、反応の制御が難しいものの、エネルギー消費が少なく、装置や工程が簡単で生産性が高い方法です。シリコンと炭素の間の発熱反応は弱いため、室温で点火して維持することが難しく、化学炉、直流、予熱、補助電場などの追加のエネルギー源が必要になります。

液相法を使用して SiC パウダーはどのように合成されますか? 

液相合成法には、ゾルゲル法とポリマー分解法が含まれます。イーウェルら。この方法は、液体化学試薬を使用してアルコキシド前駆体を調製し、低温で溶解して均一な溶液を形成します。適切なゲル化剤を添加すると、アルコキシドが加水分解および重合して安定なゾル系を形成します。長時間放置または乾燥させると、SiとCが分子レベルで均一に混合されます。この混合物を 1460 ～ 1600°C に加熱すると炭素熱還元反応が誘発され、微細な SiC 粉末が生成されます。ゾルゲル処理中に制御する重要なパラメーターには、溶液の pH、濃度、反応温度、時間などがあります。この方法は、さまざまな微量成分の均一な添加を容易にしますが、健康に有害な残留ヒドロキシルおよび有機溶媒、高い原材料コスト、および加工中の大幅な収縮などの欠点があります。

有機ポリマーの高温分解は、SiC を製造するもう 1 つの効果的な方法です。

ゲルポリシロキサンを加熱して小さなモノマーに分解し、最終的に SiO2 と C を形成し、炭素熱還元を受けて SiC 粉末を生成します。

ポリカルボシランを加熱して小さなモノマーに分解し、最終的に SiC パウダーとなる骨格を形成します。最近のゾルゲル技術により、SiO2 ベースのゾル/ゲル材料の製造が可能になり、ゲル内での焼結および強化添加剤の均一な分布が保証され、高性能 SiC セラミック粉末の形成が容易になります。

なぜ無加圧焼結が有望な技術と考えられるのかSiCセラミックス?

無加圧焼結は、次のような非常に有望な方法とみなされています。SiC焼結。焼結機構により固相焼結と液相焼結に分けられます。 S. Proehazka は、超微粒子 β-SiC 粉末（酸素含有量 2% 以下）に適量の B と C を添加し、常圧下 2020°C で焼結することにより、SiC 焼結体の相対密度 98% 以上を達成しました。 A. ムラら。 Al2O3 と Y2O3 を添加剤として使用し、0.5μm β-SiC (粒子表面に少量の SiO2 を含む) を 1850 ～ 1950°C で焼結し、理論密度の 95% 以上の相対密度と平均粒径の微細粒子を達成しました。大きさは1.5μm。

ホットプレス焼結はどのように強化されるのかSiCセラミックス?

Nadeau 氏は、純粋な SiC は焼結助剤なしでは非常に高い温度でのみ緻密に焼結できると指摘し、多くの人がホットプレス焼結を検討するようになりました。多くの研究で、B、Al、Ni、Fe、Cr、その他の金属の添加が SiC の緻密化に及ぼす影響が調査されており、Al と Fe がホットプレス焼結の促進に最も効果的であることが判明しています。 F.F. Lange は、さまざまな量の Al2O3 を使用してホットプレス焼結した SiC の性能を調査し、緻密化が溶解 - 再沈殿メカニズムに起因すると考えました。しかし、ホットプレス焼結では単純な形状のSiC部品しか製造できず、1回の焼結プロセスでの生産量も限られているため、工業生産にはあまり適していません。

SiC の反応焼結の利点と限界は何ですか?

反応焼結SiCは自己結合 SiC としても知られており、多孔質未焼成体を気相または液相と反応させて質量を増やし、気孔率を減らし、焼結して強力で寸法が正確な製品を作ります。このプロセスでは、α-SiC粉末と黒鉛を一定の比率で混合し、約1650℃に加熱し、溶融Siまたはガス状Siを成形体に浸透させます。これが黒鉛と反応してβ-SiCを形成し、既存のα-SiCを結合します。粒子。完全な Si 浸透により、完全に緻密で寸法的に安定した反応焼結体が得られます。他の焼結法と比較して、反応焼結では緻密化中の寸法変化が最小限に抑えられるため、精密な部品の製造が可能になります。しかしながら、焼結体中にかなりの量のＳｉＣが存在すると、高温性能が低下する。

要約すれば、SiCセラミックス無加圧焼結、ホットプレス焼結、熱間静水圧プレス、および反応焼結によって製造された製品は、さまざまな性能特性を示します。SiCセラミックスホットプレスおよび熱間静水圧プレスによるSiCは一般に焼結密度と曲げ強度が高くなりますが、反応焼結SiCの値は比較的低くなります。機械的特性SiCセラミックス異なる焼結助剤によっても異なります。無加圧、ホットプレス、反応焼結SiCセラミックスは強酸および強塩基に対して良好な耐性を示しますが、反応焼結 SiC は HF などの強酸に対する耐食性が劣ります。高温性能に関しては、ほぼすべてのSiCセラミックス900℃以下では強度の向上が見られますが、反応焼結SiCの曲げ強度は遊離Siの存在により1400℃以上で急激に減少します。無加圧および熱間静水圧プレスの高温性能SiCセラミックス主に使用される添加剤の種類によって異なります。

それぞれの焼結方法に応じて、SiCセラミックスにはメリットもありますが、テクノロジーの急速な進歩により、継続的な改善が必要です。SiCセラミック性能、製造技術、コスト削減。低温焼結を実現SiCセラミックスエネルギー消費と生産コストを削減し、それによって産業化を促進するために重要です。SiCセラミック製品。**

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