シリコンと窒素で構成される非金属化合物である窒化ケイ素 (Si3N4) も、機械的、熱的、電気的特性を最も柔軟に組み合わせた高度なセラミック材料です。さらに、他のほとんどのセラミックと比較して、熱膨張係数が低く、優れた耐熱衝撃性を備えた高性能セラミックです。

特徴

熱膨張係数が低いため、この材料は非常に高い耐熱衝撃性と優れた破壊靱性を備えています。 Si3N4 ワークピースは衝撃や衝撃に耐性があります。これらのワークピースは、最大 1400 °C の動作温度に耐えることができ、化学薬品、腐食作用、アルミニウムなどの特定の溶融金属、酸やアルカリ溶液に対して耐性があります。もう一つの特徴は密度が低いことです。密度は 3.2 ～ 3.3 g/cm3 と低く、アルミニウム (2.7 g/cm3) とほぼ同じ軽さであり、最大曲げ強度は 900 MPa 以上です。

さらに、Si3N4 は高い耐摩耗性を特徴としており、高温強度や耐クリープ性など、ほとんどの金属の高温特性を上回っています。クリープ耐性と耐酸化性の優れた組み合わせを提供し、大部分の金属の高温耐性を上回ります。熱伝導率が低く、耐摩耗性に優れているため、最も要求の厳しい産業用途における最も過酷な環境に耐えることができます。さらに、窒化ケイ素は、高温および高負荷の機能が必要な場合に最適な選択肢です。

プロパティ

●高い破壊靱性

●曲げ強度が良好です。

● 極めて低い密度

● 信じられないほど強力な熱衝撃耐性

● 酸化性雰囲気での高い使用温度

製造方法

窒化ケイ素の製造に使用される 5 つのさまざまなプロセスにより、わずかに異なる加工材料と用途が生まれます。

• SRBSN（反応結合窒化ケイ素）

• GPSN（ガス圧焼結窒化ケイ素）

• HPSN（ホットプレス窒化ケイ素）

• HIP-SN（熱間静水圧プレスされた窒化ケイ素）

• RBSN（反応結合窒化ケイ素）

これら 5 つの中で、GPSN が最もよく使用される生成方法です。

応用例

光のボールと回転要素

窒化ケイ素セラミックは、その優れた破壊靱性と優れたトライボロジー特性により、軽量で極めて精密なベアリング、頑丈なセラミック成形工具、高応力の自動車部品用のボールや転動体としての使用に理想的です。さらに、溶接技術は材料の強い耐熱衝撃性と高温耐性を利用します。

高温用途

さらに、高温用途でも長年使用されてきました。それは、水素/酸素ロケット エンジンによって生じる極端な熱衝撃や温度勾配に耐えることができる数少ないモノリシック セラミック材料の 1 つであるという事実です。

自動車産業

現在、窒化ケイ素材料は主に自動車産業で、慣性を低減し、エンジンラグと排出ガスを低減するためのターボチャージャー、素早い始動を実現するグロープラグ、加速を向上させるための排気ガス制御バルブ、摩耗を低減するためのガスエンジンのロッカーアームパッドなどのエンジン部品およびエンジンアクセサリユニットの用途に使用されています。

エレクトロニクス産業

窒化ケイ素は、その独特の電気特性により、マイクロエレクトロニクス用途において、デバイスを安全にパッケージングするための集積回路の製造における絶縁体および化学バリアとして使用されることが増えています。窒化ケイ素は、マイクロエレクトロニクスにおける腐食と不安定性の 2 つの主な原因であるナトリウムイオンと水に対する高い拡散障壁を持つパッシベーション層として利用されます。アナログデバイスのコンデンサでは、この物質はポリシリコン層間の電気絶縁体としても利用されます。

結論

窒化ケイ素セラミックスは実用材料です。このセラミックの各タイプには、さまざまな分野で役立つ独自の特徴があります。窒化ケイ素セラミックのさまざまな種類を理解すると、特定の用途に最適なものを選択することが容易になります。