炭化ケイ素セラミックスが課題を抱えながらも業界で支持を獲得

急速な技術進歩の時代において、材料科学はますます重要になっています。産業環境の要求が厳しくなるにつれて、従来の材料では高温や腐食条件といった極端な要件を満たせないことがよくあります。先進的なセラミック材料の中でも、炭化ケイ素 (SiC) はその優れた物理的および化学的特性で際立っており、航空宇宙、エレクトロニクス、化学工学、その他の産業分野で大きな注目を集めています。

炭化ケイ素は、強い共有結合を介して結合したケイ素原子と炭素原子の化合物です。複数の結晶形で存在しますが、α-SiC (六方晶構造) は工業用途で最も一般的で、β-SiC (立方晶構造) は電子移動度が高いため半導体用途で有望です。

この物質は、1893年にアメリカの発明家エドワード・グッドリッチ・アチソンがダイヤモンドを合成しようとしていたときに偶然発見されました。この偶然の発見はSiC研磨材の工業生産につながり、その用途は耐火物や電子部品へと徐々に拡大していきました。

融点が 2700°C の SiC セラミックは、強い共有結合により極度の熱下でも構造の完全性を維持します。そのため、鉄鋼生産やセラミック焼結産業における炉の部品、バーナーノズル、窯の設備に最適です。航空宇宙用途では、SiC ベースのタービンブレードにより、エンジン効率と推力対重量比が大幅に向上します。

ビッカース スケールで 2500 ～ 3000 HV にランクされる SiC セラミックは、硬度においてアルミナなどの従来のセラミック (1500 ～ 2000 HV) を上回ります。また、曲げ強度 (400 ～ 800 MPa) もアルミナの 2 倍であるため、メカニカル シール、外装メッキ、石油や鉱山機械の耐摩耗性部品として非常に貴重です。

強固な Si-C 結合により、酸、アルカリ、酸化剤に対する優れた耐性が得られます。化学処理および環境用途において、SiC コンポーネントは、パイプラインから廃水処理システムに至るまで、腐食性媒体の取り扱いにおける機器の寿命を劇的に延ばします。

窒化アルミニウムの熱伝導率には及ばないものの、SiC の 120 ～ 270 W/m·K 定格により、パワー エレクトロニクスの冷却や産業用熱交換器には効果的です。ドーピングによって導電率を調整できるため、さまざまな半導体アプリケーションが可能になります。

ほとんどのセラミックと同様に、SiC は破壊靱性が低いという欠点があります。研究では、この制限を軽減するために、強化剤 (カーボン ナノチューブ、グラフェン) の組み込み、粒径制御、および表面改質に焦点を当てています。

急激な温度変化はひび割れを引き起こす可能性があります。解決策には、熱膨張係数の変更、熱伝導率の向上、応力を吸収するために制御されたマイクロクラックネットワークを設計することが含まれます。

高価な原材料、複雑な製造、精密機械加工の要件により、現在、広範な採用が制限されています。新しいアプローチには、コストを削減するための代替原料源、簡素化された焼結プロセス、および高度な機械加工技術が含まれます。

主な製造技術には次のようなものがあります。

• 焼結:コスト効率の高い粉末圧縮と高温融合
• 反応結合:シリコンと炭素の混合物からその場で形成
• 蒸着:エレクトロニクス用高純度薄膜の製造
• 代替方法:ゾルゲルおよび自己伝播型高温合成を含む

SiC パワー デバイスは、より効率的なインバーターとコンバーターを可能にし、テスラや BYD などの業界リーダーによってバッテリーの航続距離を延長するためにすでに採用されています。

次世代のタービン部品とロケット エンジン部品は、SiC の高温性能を活用して推力と燃料効率を向上させます。

SiC ウェーハは、5G インフラストラクチャおよびエネルギー システム向けのパワー エレクトロニクスに革命をもたらし、従来のシリコンよりも優れたパフォーマンスを提供します。

その他の用途は、核エネルギー (燃料被覆材)、医療用インプラント (関節置換術)、精密機械加工用の高度な研磨剤など多岐にわたります。

研究者らが新しい強化戦略と拡張可能な製造方法を通じて脆性とコスト障壁に対処するにつれて、炭化ケイ素セラミックスは複数の産業を変革する態勢が整っています。継続的な進歩により、エネルギー、輸送、高度な製造部門にわたる次世代技術を実現する上での役割が確固たるものとなるでしょう。