窒化ケイ素(silicon-nitride,シリコン窒化物, Si₃N₄)の使用と製造

窒化ケイ素(silicon-nitride,シリコン窒化物,  Si₃N₄)の使用と製造

窒化ケイ素(silicon-nitride,シリコン窒化物,  Si₃N₄)は、名前が示すように、窒素とケイ素の合成物です。 セラミック材の製品として窒化シリコンとも呼ばれ、摩耗や摩耗に対する抵抗力が強い非常に硬い新素材です。 また、高温でも非常に強く、窒化ケイ素の強度と耐酸化性が優れている特性があります。 また、熱膨張率が低く、熱に耐衝撃性に優れ、セラミックの中でも多くの産業で最も有用に使用される製品です。

窒化ケイ素(silicon-nitride,シリコン窒化物,  Si₃N₄)は、元素ケイ素と窒素の化合物です。 Si3N4 は熱力学的に最も安定しており、商業的に重要な元素です。また、比較的化学的に不活性な白色の高融点固体であり、希釈した HF と高温の H3PO4 によって攻撃されます。また、非常に硬く(モーススケールで 8.5)熱安定性が高いです。全光学アプリケーション向けの強力な光学非線形性を備えています。シリコンサンプルの重量は、シリコンと窒素の化学的結合により徐々に増加します。鉄触媒がなければ、反応は数時間 (~7) 後に完了し、窒素吸収 (シリコン 1 グラムあたり) によるさらなる重量増加は検出されません。 Si3N4 に加えて、いくつかの他の窒化ケイ素相 (さまざまな程度の窒化/Si 酸化状態に対応する化学式) が文献に報告されています。これらには、ガス状の一窒化二ケイ素 (Si2N)、一窒化ケイ素 (SiN)、セスキ窒化ケイ素 (Si) が含まれます。他の耐火物と同様に、これらの高温合成で得られる生成物は、反応条件 (時間、温度、反応物や容器材料を含む出発物質など) と精製モードに依存します。

窒化ケイ素(silicon-nitride,シリコン窒化物,  Si₃N₄)は、灰色がかった無香料無臭の粉末形態で存在します。 粉末状態の窒化ケイ素を取り扱うと危険な場合がありますので、注意を払って作業しなければなりません。 爆発の危険にさらされる可能性があるため、常に注意して取り扱う必要がある材料です。

窒化ケイ素(silicon-nitride,シリコン窒化物,  Si₃N₄)の応用と構造

窒化ケイ素silicon-nitride,シリコン窒化物,  Si₃N₄)は非常に優れた新素材で、値が比較的安価で有用な特性を多く持っており、多くの産業で応用分野が増えている傾向です。

窒化シリコンは、バルク材料として製造するのが難しく、シリコンと窒素に解離するため、融点をはるかに下回る 1850 °C 以上に加熱することはできません。 したがって、従来のホットプレス焼結技術の適用には問題がります。 窒化ケイ素粉末の結合は、一般にある程度の液相焼結を誘発する焼結助剤または「結合剤」と呼ばれる材料を追加することにより、低温で達成できます。 よりクリーンな代替手段は、放電プラズマ焼結を使用することです。この場合、圧縮された粉末に電流のパルスを通すことにより、非常に急速 (数秒) に加熱が行われます。 この技術により、1500〜1700°Cの温度で高密度の窒化ケイ素成形体が得られました。

窒化ケイ素ベアリングは、フル セラミック ベアリングとセラミック ハイブリッド ベアリングの両方で、ボールはセラミック製でレースは鋼製です。窒化ケイ素セラミックスは、他のセラミックスに比べて耐衝撃性に優れています。そのため、パフォーマンスベアリングには窒化ケイ素セラミックス製のボールベアリングが使用されています。代表的な例は、NASA のスペース シャトルのメイン エンジンにおける窒化ケイ素ベアリングの使用です

窒化ケイ素ボール ベアリングは金属よりも硬いため、ベアリング トラックとの接触が減少します。これにより、従来の金属製ベアリングと比較して、摩擦が 80% 減少し、寿命が 3 倍から 10 倍長くなり、速度が 80% 速くなり、重量が 60% 軽くなり、潤滑不足の状態で動作する能力が向上し、耐食性が向上し、動作温度が高くなります。窒化ケイ素ボールは、タングステン カーバイド ボールよりも 79% 軽量です。窒化ケイ素ボール ベアリングは、ハイエンドの自動車用ベアリング、産業用ベアリング、風力タービン、モータースポーツ、自転車、ローラーブレード、スケートボードに使用されています。窒化ケイ素ベアリングは、腐食または電場または磁場によって金属の使用が禁止されている用途、たとえば、海水の攻撃が問題となる潮流計や電場シーカーなどで特に有用です。

窒化ケイ素(silicon-nitride,シリコン窒化物,  Si₃N₄)の主な利用分野

▶自動車産業：エンジンおよび部品の製造/摩耗を減らすための用途

▶医療産業：外科用ツールとデバイスの製造/窒化シリコンの高強度、高耐久性のため、多用途に使用

▶合金と切削工具：研磨剤としての使用/速度の上昇とコストの削減

▶生活用品と家電製品：望遠鏡、顕微鏡など製作/電気絶縁特性を利用

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