反応焼結および無加圧焼結による炭化ケイ素セラミックスの製造プロセス

反応焼結

反応焼結炭化ケイ素セラミック製造工程には、セラミックの成形、焼結フラックス浸透剤の成形、反応焼結によるセラミック製品の製造、炭化ケイ素ウッドセラミックの製造などの工程が含まれる。

反応焼結シリコンカーバイドノズル

まず、セラミック粉末の80～90％（1つまたは2つの粉末から構成される）炭化ケイ素粉末炭素源粉末（カーボンブラックとフェノール樹脂の１種または２種から構成される）３〜１５％、成形剤（フェノール樹脂、ポリエチレングリコール、ヒドロキシメチルセルロースまたはパラフィン）５〜１５％をボールミルで均一に混合して混合粉末を得、これを噴霧乾燥して造粒し、金型で加圧成形して様々な特定の形状のセラミック成形品を得る。
第二に、シリコン粉末60～80％、炭化ケイ素粉末3～10％、窒化ホウ素粉末37～10％を均一に混合し、金型で加圧成形して焼結フラックス浸透剤の成形体を得る。
次に、セラミック成形体と焼結浸透成形体を積層し、真空度5×10⁻¹ Pa以上の真空炉内で1450～1750℃まで昇温し、1～3時間焼結および保温を行い、反応焼結セラミック製品を得る。焼結セラミック表面の浸透剤残渣を叩き落とすことで緻密なセラミックシートが得られ、成形体の元の形状が維持される。
最後に、反応焼結法を採用する。すなわち、高温で反応活性を有する液状シリコンまたはシリコン合金が、毛細管力によって炭素を含む多孔質セラミックブランクに浸透し、その中の炭素と反応して炭化ケイ素を形成し、体積が膨張する。残りの細孔は元素シリコンで満たされる。多孔質セラミックブランクは、純炭素または炭化ケイ素／炭素系複合材料であってもよい。前者は、有機樹脂、細孔形成剤、および溶媒を触媒硬化および熱分解することによって得られる。後者は、炭化ケイ素粒子／樹脂系複合材料を熱分解して炭化ケイ素／炭素系複合材料を得るか、またはα-SiCと炭素粉末を原料として、プレス成形または射出成形プロセスを用いて複合材料を得ることによって得られる。

無加圧焼結

炭化ケイ素の無加圧焼結プロセスは、固相焼結と液相焼結に分けられる。近年、炭化ケイ素の無加圧焼結プロセスに関する研究が進められている。炭化ケイ素セラミックス国内外では主に液相焼結に焦点が当てられてきた。セラミックスの製造プロセスは、混合材料のボールミル粉砕→噴霧造粒→乾式プレス→成形体の固化→真空焼結である。

無加圧焼結炭化ケイ素製品

炭化ケイ素超微粉末（50～500nm）96～99部、炭化ホウ素超微粉末（50～500nm）1～2部、ナノチタンホウ化物（30～80nm）0.2～1部、水溶性フェノール樹脂10～20部、高効率分散剤0.1～0.5部をボールミルに加え、24時間ボールミル混合した後、混合したスラリーを混合バレルに移し、2時間攪拌してスラリー中の気泡を除去する。
上記の混合物を造粒塔に噴霧し、噴霧圧力、空気入口温度、空気出口温度、噴霧シート粒子サイズを制御することにより、良好な粒子形態、良好な流動性、狭い粒度分布範囲、適度な水分を有する造粒粉末を得る。遠心周波数変換は26～32、空気入口温度は250～280℃、空気出口温度は100～120℃、スラリー入口圧力は40～60である。
上記の造粒粉末を超硬合金製の金型に入れ、加圧成形して成形体を得る。加圧方法は双方向加圧であり、工作機械の加圧力は150～200トンである。
成形された生体は乾燥炉に入れられ、乾燥および硬化させることで、良好な強度を有する生体を得る。
上記の硬化した緑色の体をグラファイトるつぼ原料を密に整然と配置した後、成形体を載せた黒鉛るつぼを高温真空焼結炉に入れ、焼成する。焼成温度は2200～2250℃、保持時間は1～2時間である。こうして、高性能な無加圧焼結炭化ケイ素セラミックスが得られる。

固相焼結

炭化ケイ素の無加圧焼結プロセスは、固相焼結と液相焼結に分けられます。液相焼結では、Y2O3二元系および三元系添加剤などの焼結助剤を添加することで、SiCとその複合材料を液相焼結させ、より低い温度で緻密化させることができます。固相焼結炭化ケイ素セラミックスの製造方法は、原料の混合、噴霧造粒、成形、真空焼結を含みます。具体的な製造プロセスは以下のとおりです。
70～90%のサブミクロンα炭化ケイ素（200～500nm）、0.1～5%の炭化ホウ素、4～20%の樹脂、および5～20%の有機バインダーをミキサーに入れ、純水を加えて湿式混合する。6～48時間後、混合スラリーを60～120メッシュのふるいに通す。
ふるい分けしたスラリーを噴霧造粒塔で噴霧造粒する。噴霧造粒塔の入口温度は180～260℃、出口温度は60～120℃である。造粒物の嵩密度は0.85～0.92g/cm3、流動性は8～11秒/30gである。造粒物は、後で使用するために60～120メッシュのふるいを通してふるい分けされる。
所望の製品形状に応じて金型を選択し、顆粒状材料を金型キャビティに充填し、室温で50～200MPaの圧力で圧縮成形を行い、グリーンボディを得る。または、圧縮成形後のグリーンボディを静水圧プレス装置に入れ、200～300MPaの圧力で静水圧プレスを行い、二次プレス後のグリーンボディを得る。
上記の手順で準備した成形体を真空焼結炉に入れて焼結し、合格したものが完成した炭化ケイ素防弾セラミックです。上記の焼結工程では、まず焼結炉を真空引きし、真空度が3〜5×10⁻² Paに達したら、不活性ガスを焼結炉に導入して常圧にしてから加熱します。加熱温度と時間の関係は、室温から800℃まで5〜8時間、0.5〜1時間保持、800℃から2000〜2300℃まで6〜9時間、1〜2時間保持し、その後炉で冷却して室温まで下げます。

常圧焼結した炭化ケイ素の微細構造と粒界

要するに、ホットプレス焼結法で製造されたセラミックスは性能は優れているものの、製造コストも大幅に増加します。無加圧焼結法で製造されたセラミックスは、原料要求量が高く、焼結温度が高く、製品サイズの変化が大きく、工程が複雑で、性能が低いという欠点があります。一方、反応焼結法で製造されたセラミックスは、高密度で耐弾道性能に優れ、製造コストも比較的低く抑えられます。炭化ケイ素セラミックスの様々な焼結製造プロセスにはそれぞれ長所と短所があり、用途も異なります。製品に応じて適切な製造方法を選択し、低コストと高性能のバランスを取ることが最善策です。