アドバンスト・セラミックスの最高使用温度

アドバンスト・セラミックスの最高使用温度は、従来の金属やエンジニアリング・プラスチックよりもはるかに高い。対照的に、いくつかの高性能セラミックスは、従来の金属が1200℃から1500℃で溶け始めるのに対し、2200℃までの持続的な動作温度に耐えることができます。このため、高温セラミック材料は高温産業用途に理想的です。

しかし、2000℃付近で使用する材料を選択する際には、適用環境を注意深く考慮しなければならない。窒化ホウ素や炭化ケイ素のような多くの超高温対応セラミックスは、不活性または還元性の環境を必要とする。酸化性環境では、最高使用温度が著しく低下する可能性があります。

この記事では、主なセラミック材料の最高使用温度限界について調べ、金属やプラスチックと比較し、高温用途でその特性をどのように利用できるかを説明します。

セラミックスの硬度:特性、比較と応用

高温セラミックが重要な理由

アドバンスト・セラミックスは、極端な温度でも構造的・化学的完全性を維持する:

  • 航空宇宙エンジン部品
  • 工業炉ライニング
  • 冶金用るつぼ
  • 半導体製造
  • 高性能熱交換器
  • 高温濾過システム
  • 溶湯ハンドリングツール

特に金属やポリマーと比較した場合、耐熱衝撃性、酸化安定性、低熱膨張性に優れている。そのため、多くのハイテクや産業用途において、かけがえのない存在となっています。

最高使用温度は?

最高使用温度とは、軟化、溶融、酸化、構造破壊などの著しい性能劣化を起こすことなく、材料が長時間耐えられる最高温度を指す。

セラミックスの場合、この温度は次のような要因に影響される:

  • 結晶構造の安定性
  • 相変態挙動
  • 熱伝導率
  • 熱衝撃と酸化に対する耐性

セラミック材料とその最高温度

セラミック素材 最高使用温度 (°C) 備考
窒化ホウ素(BN) 2000 不活性雰囲気のみ
アルミナ (Al2O3) 1650 最も広く使用されている先端セラミック
炭化ケイ素(SSiC) 1400 優れた熱伝導性
ZTA20 1400 強化ジルコニア-アルミナ複合材
窒化ケイ素 (Si3N4) 1300 優れた耐熱衝撃性
窒化アルミニウム(AlN) 1200 電子基板に最適
酸化ベリリウム (BeO) 1200 導電性が高く、加工時に有害
MGC 900 プロトタイピング、エレクトロニクス
ジルコニア(YPZ) 850 位相不安定性による制限

*データは参考値です。

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最高使用温度の比較:セラミックスと金属およびプラスチックの比較

下の棒グラフは、高温セラミックから一般的な工業用プラスチックまで、さまざまなエンジニアリング材料の最高使用温度を高いものから低いものへと順に示しています。

セラミックス 金属 プラスチック

*データは参考値です。

セラミックに基づく用途 最高温度

アドバンストセラミックスは、その卓越した耐熱性により、要求の厳しい環境で広く利用されており、多くの場合、1000℃を超える温度でも構造的完全性と機能的安定性を維持します。以下は、セラミック材料の種類とその典型的な最高使用温度を強調した、産業別の応用事例です。

  • 用途ジェットエンジン部品(燃焼室、ノズル、遮熱コーティング)

    • 材料窒化ケイ素(Si₃N₄)、炭化ケイ素(SiC)、ジルコニア(ZrO₂)
    • 使用温度1200-1600°C
    • 特徴優れた耐熱衝撃性、低熱膨張性、耐酸化性
  • アプリケーション再突入機用熱保護システム

    • 材料SiC系複合材料、アルミナ繊維強化セラミックス
    • 使用温度>1600°C
    • 特徴優れた断熱性と超高温安定性
  • 用途炉心管、熱電対保護シース、支持構造物

    • 材料アルミナ(Al₂O₃)、炭化ケイ素(SiC)、窒化ケイ素(Si₃N_2084)
    • 使用温度1400-1700°C
  • 用途粉末冶金焼結トレイおよびキャリア

    • 材料アルミナ、窒化アルミニウム(AlN)
    • 使用温度>1500℃以上(不活性雰囲気中)
    • 特徴高い熱安定性、ケミカルアタックに不活性
  • 用途高温電気絶縁基板、真空チャンバー部品

    • 材料窒化アルミニウム(AlN)、酸化ベリリウム(BeO)
    • 使用温度1000-1200°C
    • 特徴高熱伝導性、優れた誘電特性
  • アプリケーションイオン注入およびプラズマエッチングチャンバー部品

    • 材料窒化ホウ素(BN)、アルミナ(Al₂O₃)
    • 使用温度>1000℃以上(真空)
  • 用途ガスタービンブレード、遮熱コーティング(TBC)

    • 材料イットリア安定化ジルコニア(YSZ)、SiCセラミックマトリックス複合材料(CMC)
    • 使用温度1200-1600°C
    • 特徴極めて高い耐熱性と熱サイクル耐性
  • 用途原子炉構造または被覆管部品

    • 材料SiCコンポジット、BeO
    • 使用温度>1200°C
    • 特徴高い中性子透過性、耐放射線性
  • 用途ディーゼルエンジン用グロープラグ、ターボチャージャー用ローター

    • 材料窒化ケイ素 (Si₃N₄)
    • 使用温度1000-1200°C
    • 特徴軽量、耐高温衝撃性
  • アプリケーションディーゼルパティキュレートフィルター(DPF)

    • 材料炭化ケイ素(SiC)
    • 使用温度: 900-1100°C
  • 用途高温るつぼ、熱分析用サンプルホルダー

    • 材料アルミナ、ジルコニア、窒化ケイ素
    • 使用温度>1500℃以上(真空または不活性雰囲気中)
    • 使用例熱分析(DSC、TGA)、XRF/XRDサンプルホルダー
  • 用途セラミック管、ランナー、溶湯用るつぼ

    • 材料アルミナ、炭化ケイ素、窒化ホウ素
    • 使用温度1600-1800°C
    • 特徴耐食性、過酷な環境下での熱安定性
  • 用途ガラス成形用金型、断熱ボード

    • 材料ZTA、アルミナ
    • 使用温度>1400°C
  • 用途腐食性の高温環境における原子炉ライニングおよびキャリア

    • 材料炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素
    • 使用温度1000-1600°C
    • 特徴高い化学的不活性、酸性および塩基性雰囲気に対する耐性

重要な耐高温セラミックス

よくある質問(FAQ)

不活性環境における窒化ホウ素は、2000℃以上まで動作可能である。

セラミックスはイオン結合や共有結合が強く、熱膨張率が低く、耐酸化性が高い。

そうだが、(BNのように)高温での酸化から保護すべきものもある。

ほとんどの材料は脆いが、Si3N4やZTAのような材料は、靭性と熱安定性を兼ね備えている。

パワーエレクトロニクス、航空宇宙、冶金加工、半導体などで使用されている。