窒化ケイ素 – 最高の総合性能を備えた構造用セラミックス

特殊セラミックスとは、特殊な機械的、物理的、化学的特性を備えたセラミックスを指し、使用される原料や必要な製造技術は通常のセラミックスとは大きく異なり、開発も異なります。特殊セラミックスは、その特性や用途に応じて構造用セラミックスと機能性セラミックスの2つに分類されます。このうち構造用セラミックスとは、工学構造材料として使用できるセラミックスを指し、一般に高強度、高硬度、高弾性率、高温耐性、耐摩耗性、耐食性、耐酸化性、耐熱衝撃性などの特性を備えています。

構造用セラミックスには多くの種類があり、一長一短があり、その応用方向も異なりますが、その中でも「窒化珪素セラミックス」はあらゆる面での性能のバランスが優れているため、最も総合性能が優れているとして知られています。構造用セラミックスファミリーの一種であり、非常に幅広い用途があります。

窒化ケイ素セラミックスの利点

窒化ケイ素 (Si3N4) は、[SiN4] 4 四面体を構造単位とする共有結合化合物に分類できます。窒素原子とケイ素原子の具体的な位置は、下の図からわかります。ケイ素は四面体の中心にあり、四面体の 4 つの頂点の位置は窒素原子で占められており、3 つの四面体ごとに 1 つの原子を常に共有しています。三次元空間に広がります。最後に、ネットワーク構造が形成されます。窒化ケイ素の特性の多くは、この四面体構造に関連しています。

窒化ケイ素にはα相、β相、γ相の 3 つの結晶構造があり、このうちα相とβ相が窒化ケイ素の最も一般的な形態です。窒素原子が非常に強固に結合しているため、窒化ケイ素は優れた高強度、高硬度、高温耐性を備え、硬度はHRA91〜93に達します。熱剛性が高く、1300~1400℃の高温に耐えることができます。カーボンや金属元素との化学反応が少ないため、摩擦係数が低くなります。自己潤滑性があるため、耐摩耗性があります。耐食性が強く、フッ化水素酸に加えて他の無機酸とも反応せず、高温でも酸化耐性があります。また、耐熱衝撃性にも優れており、空気中で急激に冷却しても、急激に加熱しても崩れません。窒化ケイ素セラミックスのクリープは高温で減少し、高温および一定荷重の作用下での遅い塑性変形は小さくなります。

さらに、窒化ケイ素セラミックスは、高い比強度、高い比モード、高い熱伝導率、優れた電気特性などの利点も備えているため、高温、高速、強力な腐食性媒体などの極限環境において特別な応用価値を持っています。は、開発および応用において最も有望な構造用セラミック材料の 1 つであると考えられており、多くの場合、テストが必要な多くの用途で最初の選択肢となります。