窒化ケイ素セラミックス(Si3N4)

窒化ケイ素セラミックスは、機械的特性、熱的特性、電気的特性の最も多彩な組み合わせを持ち、高性能のテクニカルセラミックスです。ほとんどの金属を超える高温特性を持ち、耐クリープ性、耐酸化性に優れています。さらに、優れた耐熱衝撃性と高い耐摩耗性により、最も要求の厳しい産業用途の過酷な条件にも耐えることができる優れた材料です。

窒化ケイ素セラミックスの2つの主な種類

ガス加圧焼結窒化ケイ素（GPSN）

これは、高強度で複雑な形状の窒化ケイ素部品を製造するための最も一般的な方法です。GPSN法では、液相焼結を促進する焼結助剤（通常、イットリア、酸化マグネシウム、アルミナ）と、グリーンセラミック体の機械的強度を向上させるバインダーを混合した窒化ケイ素粉末を使用します。粉末は所望の形状にプレスされ、グリーンマシニングが行われる。その後、成形体を加圧窒素雰囲気の炉に入れ、緻密化を助け、ケイ素、窒素、添加物の蒸発・分解を防ぎます。

ホットプレス窒化ケイ素（HPSN）

HPSNは、窒化ケイ素粉末（焼結添加剤入り）を一軸プレスすると同時に熱を加えることで製造される。このプロセスには特殊なプレスと金型が必要である。機械的特性に優れた窒化ケイ素が得られるが、単純な形状しか作れない。ホットプレスされた部品をグリーン・マシニングで加工することは不可能であるため、ダイヤモンド研削が複雑な形状を作る唯一の方法である。ダイヤモンド研削とホットプレスには高いコストと困難が伴うため、その使用は通常、単純な部品を少量生産する場合に限られる。

窒化ケイ素セラミックスの特性

窒化ケイ素セラミックスの特徴

密度が非常に低い；
非常に高い破壊靭性；
曲げ強度が良い；
優れた耐熱衝撃性：高い熱応力パラメータ；
極めて高い動作温度。

窒化ケイ素の機械的特性

プロパティ	単位	GPSN	HPSN	HTCSNS
カラー	--	グレーまたはブラック	グレーまたはブラック	グレーまたはブラック
密度	g/cm³	3.2	3.3	3.25
硬度	GPa	15	16	15
圧縮強度	MPa	2500	3000	2500
曲げ強度	MPa	700	900	600~800
破壊靭性	MPa・m^1/2	5~7	6~8	6~7
弾性係数	GPa	300	300	300~320
ポアソン比	--	0.25	0.28	0.25

窒化ケイ素の熱特性

プロパティ	単位	GPSN	HPSN	HTCSNS
最高使用温度	無負荷	1100	1300	1100
熱伝導率 @ 25°C	W/(m・K)	15~20	20~25	80~100
40-400℃における熱膨張a	1 x 10^-6/°C	3	3.1	3
比熱	J/(kg・K)	660	650	680
耐熱衝撃性	水に入れる	550	800	--

窒化ケイ素の電気的特性

プロパティ	単位	GPSN	HPSN	HTCSNS
誘電率	1MHz	6~8	8	7.8
絶縁耐力(6.35mm)	AC-kV/mm	15	17	--
体積抵抗率 @ 25°C	Ω・cm	＞10¹⁴	＞10¹⁴	＞10¹⁴
体積抵抗率 @ 500°C	Ω・cm	＞10¹⁰	＞10¹⁰	＞10¹⁰