特殊セラミックとは、特殊な機械的、物理的、または化学的特性を有するセラミックの一種であり、使用される原材料や必要な製造技術は、通常のセラミックとは大きく異なり、開発も異なります。その特性と用途により、特殊セラミックは構造用セラミックと機能性セラミックの2種類に分類されます。このうち、構造用セラミックは、エンジニアリング構造材料として使用可能なセラミックを指し、一般的に高強度、高硬度、高弾性率、耐高温性、耐摩耗性、耐腐食性、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、それぞれ長所と短所があり、その長所と短所の応用方向も異なりますが、その中でも「窒化ケイ素セラミックス」は、あらゆる面で性能のバランスが取れているため、構造用セラミックスの中で最も総合性能に優れているとされており、その応用範囲は極めて広いです。
窒化ケイ素セラミックスの利点
窒化ケイ素（Si3N4）は、[SiN4]4面体を構造単位とする共有結合化合物に分類されます。窒素原子とケイ素原子の具体的な位置は下図から明らかです。ケイ素は四面体の中心に位置し、四面体の4つの頂点の位置は窒素原子で占められています。そして、3つの四面体ごとに1つの原子が共有され、3次元空間に連続的に広がります。最終的に、ネットワーク構造が形成されます。窒化ケイ素の多くの特性は、この四面体構造に関連しています。
窒化ケイ素の結晶構造には、α相、β相、γ相の3種類があり、そのうちα相とβ相が最も一般的な窒化ケイ素です。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、耐高温性を備え、硬度はHRA91〜93に達します。耐熱剛性が優れ、1300〜1400℃の高温に耐えることができます。炭素と金属元素との化学反応が小さいため、摩擦係数が低くなります。自己潤滑性があるため、摩耗に強いです。耐腐食性が強く、フッ化水素酸だけでなく、他の無機酸とも反応せず、高温でも耐酸化性があります。耐熱衝撃性も優れており、空気中で急激に冷却した後、急激に加熱しても崩壊しません。窒化ケイ素セラミックスのクリープは高温で減少し、高温と一定の荷重の作用下での緩やかな塑性変形は小さくなります。
また、窒化ケイ素セラミックは、比強度、比振動数、熱伝導率、電気特性などの利点も備えているため、高温、高速、強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ち、開発と応用において最も有望な構造用セラミック材料の1つとみなされており、テストが必要な多くの用途で第一選択肢となることがよくあります。
投稿日時: 2023年8月15日