炭化ケイ素とは?

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1.炭化ケイ素の紹介

1.1 炭化ケイ素とは?

炭化ケイ素の化学式はSiCで、抵抗炉を通して製造される無機物質である。石英砂、石油コークス(または石炭コークス)、おがくずの3つの原料を製錬することで炭化ケイ素を得ることができる。 

炭化ケイ素

1.2 炭化ケイ素の発展の歴史

1891年アメリカの科学者アチソンは、実験室で電気融合ダイヤモンドの実験を行っているときに、偶然にも炭化物を発見した。 

アチソンは、一般にアチソン炉として知られる炭化ケイ素の工業的製錬法を開発した。この方法では、カーボンコアを備えた抵抗炉を使用して、石英(SiO2)とカーボンの混合物を電気的に加熱し、炭化ケイ素を製造する。 

1905年炭化ケイ素が初めて隕石から検出された。 

2.炭化ケイ素の特性

2.1 炭化ケイ素の物理的性質

結晶構造

炭化ケイ素には、六方晶(4H-SiC、6H-SiC)や立方晶(3C-SiC)など、さまざまな結晶構造がある。

硬度

炭化ケイ素は、モース硬度が9.5と非常に硬いことで知られている。

融点

炭化ケイ素の融点は約2,730℃と非常に高い。

熱伝導率

炭化ケイ素は熱伝導率が高く、熱を効率よく伝える。

2.2 炭化ケイ素の化学的性質

化学組成

炭化ケイ素の化学式はSiCで、ケイ素(Si)と炭素(C)の2つの基本元素を持つ。

化学的安定性

炭化ケイ素は化学的に非常に安定しており、特に過酷な環境や高温では安定性が高い。

酸化防止剤

炭化ケイ素は耐酸化性に優れている。

3.炭化ケイ素の製造工程

3.1 炭化ケイ素はどのようにして作られるのか?

アチソン・プロセス

1891年のことだ、 エドワード・アチソン は、炭化ケイ素の最も初期の製造方法とされるアチソン法を開発した。

このプロセスでは、高純度のシリカ(砂)と炭素(通常は石油コークスまたは無煙炭)の混合物を電気抵抗炉で高温(約2000〜2500℃)に加熱する。

この反応によって炭化ケイ素の結晶が形成され、それが粉砕されて目的の形状に加工される。

カーボサーマルリダクション:

炭素熱還元では、シリカ(SiO2)と炭素の混合物を電気炉で加熱する。

化学反応は、SiO2 + 3C → SiC + 2COと表すことができる。

このプロセスは通常、摂氏2000度以上の温度で行われる。

3.2 炭化ケイ素の種類

炭化ケイ素には基本的に2つのタイプがある、 黒色炭化ケイ素そして グリーン炭化ケイ素いずれもα-SiCに属する。

ブラックシリコンのSiC含有量は約95%を超え、グリーンカーバイドよりも硬度が高い。 

ガラス、セラミックス、石材、耐火物、鋳鉄、非鉄金属など、引張強度の低い材料の加工に主に使用される。

緑色炭化ケイ素は97%以上のSiCを含有し、良好な自己研磨性を有する。主に硬質合金、チタン合金、光学ガラスなどの加工、シリンダースリーブのホーニング、高速度鋼切削工具の精密研削などに使用される。

3.3 炭化ケイ素の利点

高硬度 * 高温安定性 * 耐摩耗性 * 化学的不活性

高い熱伝導性 * 電気伝導性 * 研磨特性 * 高い切削効率

4.炭化ケイ素の応用

研磨剤の応用:

炭化ケイ素は人工的に合成された炭化物で、分子式はSiC。モース硬度はダイヤモンドを上回る。

炭化ケイ素は硬度が高いため耐摩耗性が高く、砥石やその他の研磨製品に広く使用されている。

耐火物の応用:

SiCは、低熱膨張係数、高熱伝導率、高温強度、良好な耐スラグ性、保護酸化を形成する能力などの利点があるため、高性能耐火物、または耐火物の性能、特に耐スラグ性と熱衝撃安定性を向上させるための添加剤として広く使用されている。

機能性セラミックの応用:

炭化ケイ素セラミック材料は、耐高温性、良好な耐摩耗性、小さな熱膨張係数、高硬度、耐熱衝撃性、耐薬品腐食性など多くの優れた特性を持っているため、自動車、機械、化学工業、環境保護、宇宙技術、情報電子、エネルギーなどの分野で広く使用されています。

冶金学の応用:

冶金産業では、ブラック・シリコン・カーバイドは鉄鋼の生産に使用される。溶融金属に添加することで、その特性を高め、最終製品の品質を向上させることができる。

炭化ケイ素は、モース硬度ではダイヤモンドを凌ぐ。耐摩耗性に優れ、耐摩耗性パイプライン、インペラー、ポンプ室、サイクロン、鉱業用ホッパーライニングに理想的な素材です。耐摩耗性は鋳鉄やゴムの5倍以上で、航空機の滑走路にも最適な材料のひとつです。

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