3Dプリントにおける窒化ケイ素セラミックスの技術と市場分析

出典：中国複合材

1. 概要<br /> 窒化ケイ素セラミックスは、その優れた機械的特性と耐高温性により、産業分野やバイオメディカル分野で大きな注目を集めています。近年、3D プリント技術の発展により、窒化ケイ素セラミックスの製造と応用に新たな道が開かれました。このレポートでは、技術的な詳細から市場の動向、業界の見通しまで、3D 印刷技術における窒化ケイ素セラミックスの応用について詳しく検討します。

2. 技術の原理と発展
3D プリンティング、つまり積層造形は、物体を層ごとに構築するプロセスであり、材料の無駄を減らしながら複雑な形状の部品を製造できます。 3D 印刷アプリケーションでは、窒化シリコンセラミックは、材料の堆積を正確に制御することで、従来の方法では製造が困難な複雑な構造を実現します。窒化ケイ素（Si3N4）は、1857年にデヴィルとヴェーラーによって初めて合成されました。耐熱衝撃性に優れ、高温でも靭性と強度に優れた合成セラミック材料です。窒化ケイ素セラミックスは、熱電対管が話題になった 1950 年代に人気を博しました。緻密な焼結後に形成された細長いβ-シリコン窒化物粒子は、優れた原位置強化効果と優れた機械的特性をもたらします。曲げ強度は1GPaに達し、破壊靭性は10-12MPa·m1/2に達します。図に示すシリコン窒化物耐高温インペラなど、さまざまな複雑な曲面構造を3Dプリントで作成できます。さらに、窒化ケイ素セラミックは生体適合性が高く、長期間体内に埋め込んでも副作用はほとんど発生せず、天然の表面抗菌性と骨結合性が良好です。窒化ケイ素セラミックス製の人工股関節全置換術（THA）ベアリングは摩耗率が極めて低く、人工関節、頭蓋骨インプラント、歯科インプラント、その他の骨インプラントに幅広く応用できる見込みがあります。それに応じて、上記分野での応用では、窒化ケイ素セラミックスのカスタマイズされた微細部品の製造に対する要求がますます高まっています。
図は、シリコン窒化物セラミックスの3Dプリントと焼結の例です。粉末ベースの光硬化型3Dプリントは、シリコン窒化物セラミック粉末を一定の割合の焼結助剤と直接混合し、光硬化樹脂に分散させて、安定して分散した印刷可能なスラリーを形成します。セラミックを印刷して成形した後、脱脂して焼結し、特定の構造を持つ緻密なシリコン窒化物部品を得ます。シリコン窒化物粉末ベースのスラリーの一般的な液相組成を図3に示します。プレポリマーとモノマーは架橋反応の有効成分です。分散剤の役割は、粉末の均一な分散を確保することです。光増感剤は主にフリーラジカル開始剤であり、スラリーを光反応性にします。スラリーの保存安定性と使いやすさを確保するために、レベリング剤、希釈剤、消泡剤などの添加剤が補充されます。

図 1. シリコン窒化物粉末の光硬化性印刷スラリーの液相の一般的な成分。

製造工程:

応用分野:

3. 市場の動向と課題<br /> 環境保護基準の向上に伴い、関連市場規模は200億にまで拡大すると予想されます。例えば、国内では、プリンスセラミックスは2020年に売上高2億8,600万ドルを達成し、前年比58.60%増加しました。高純度シリコン窒化物製品の市場シェアは急速に拡大しており、利益率は業界トップクラスです。 Prince Ceramics は、Weifu Hi-Tech、Weichai、Sinotruk、Yuchai などの多くの有名企業と安定した協力関係を確立しています。北京中才人工結晶研究所は、熱伝導率80W/(m·k)、曲げ強度750MPa·m1/2と東芝製品に近い窒化ケイ素セラミック基板を開発した。高純度シリコン窒化物は、新興の特殊高温構造セラミック材料として、優れた潤滑性、耐摩耗性、耐熱性、耐衝撃性、化学的安定性により広く使用されています。現在、国内の高純度窒化ケイ素の生産技術は成熟しており、産業は着実に発展しています。
国際市場では、東芝や京セラなど数社のみが窒化ケイ素セラミック基板を商品化できる。例えば、東芝のシリコン窒化物基板（TSN-90）の熱伝導率は90W/(m·K)です。
価格面では、高純度窒化シリコンの価格は当初の2,000元/kgから現在は1,000元/kg以上に下がっています。海外の大手企業と比較すると、国内企業は生産に自社開発の設備を使用し、「薄利多売」戦略を採用しているため、市場での競争力が高まっています。高純度シリコン窒化物の主な競争上の優位性は、ハイエンド機器のニーズを満たすことができる優れた性能にあります。現在、国内の高純度窒化シリコンの生産技術は比較的成熟しており、技術革新の余地は限られており、業界は成熟段階に入り、市場の需要は安定しています。しかし、高純度窒化シリコン業界の生産量成長率は43.49％から8.57％に低下し、市場生産量は874トンとなっている。疫病の影響により、業界の生産能力の伸び率も2020年に2019年の57.46％から10.76％に低下し、市場生産能力は941トンとなった。 2020年の世界窒化ケイ素セラミックス市場規模は2億1,000万米ドルに達し、前年比5.5％増加しました。2025年末までに、高純度窒化ケイ素市場規模は3億1,000万米ドルに達すると予測されています。前年比5.5％増加し、高純度窒化ケイ素市場規模は2025年末までに3億1,000万米ドルに達すると予測されています。
ハイエンド分野では、MLCCメーカーが積極的に生産を拡大している。その中でも、国内企業の生産拡大は大きく、豊華高科技と三環集団はともに2022年に生産能力を2～3倍に拡大し、それぞれ650億個/月と400億個/月に達する計画だ。村田製作所、太陽誘電、サムスン電機などは毎年10％～20％の生産拡大を計画している。国内企業による生産の大幅拡大は、MLCCの国内代替プロセスを加速させると予想され、国内のMLCC上流関連産業の発展をさらに促進するだろう。
図 2 世界と中国の MLCC 市場規模世界のセラミック粉末輸出国上位 7 社のうち 5 社は日本企業です。上位 3 社である日本の堺化学、米国のフェロ、日本化学は、それぞれ 28%、20%、14% の市場シェアを占めています。シノセラマテリアルズは、水熱法によるナノチタン酸バリウム粉末の量産に成功した中国初、世界でも2番目のメーカーです。また、中国本土でセラミック粉末を量産・輸出する最大のメーカーでもあり、市場シェアは10%です。鳳華高科などの国内メーカーは国家重点実験室の建設を加速しており、BT01セラミック粉末の性能は国際先進レベルに達しています。

図1. 主要企業の市場シェア
4. 業界の見通し<br /> 今後、窒化ケイ素セラミックスの3Dプリント技術は、特に微細化と製造効率の面で、さらなる発展と向上が期待されます。技術が成熟し、生産コストが下がるにつれて、窒化ケイ素セラミックスの応用分野は、特にハイエンド産業やバイオメディカルの分野でさらに拡大するでしょう。例えば、航空宇宙、自動車製造、生体医療インプラントなどの分野では、高性能材料の需要が高まり続けており、窒化ケイ素セラミックスはその優れた性能により、これらの分野で選ばれる材料になるでしょう。

バイオメディカル分野では、人口の高齢化と医療技術の進歩に伴い、高性能な生体適合性材料の需要は今後も増加し続けるでしょう。骨インプラント、歯科インプラント、関節置換における窒化ケイ素セラミックスの応用は、特に 3D 印刷技術が重要な役割を果たすパーソナライズされた医療機器の製造においてさらに拡大されるでしょう。さらに、薬物送達システムにおける窒化ケイ素セラミックスの潜在的な応用も、将来的には研究のホットスポットになる可能性があります。
工業用途の面では、窒化ケイ素セラミックスの耐熱性と機械的特性により、過酷な環境でも幅広い応用が期待できます。例えば、高温燃焼室、タービンブレード、熱電対保護管などの部品の製造に使用できます。再生可能エネルギーや新エネルギー車の発展に伴い、窒化ケイ素セラミックスは効率的なエネルギー変換やエネルギー貯蔵システムにおいて重要な役割を果たす可能性があります。

技術の進歩により、シリコン窒化物セラミック 3D プリントの精度と効率が向上し、コストも削減されます。これにより、より複雑で洗練された構造が可能になり、新しい設計やアプリケーションの出現が促進されます。たとえば、印刷技術を改善することで、より微細な微細構造を実現することができ、これは材料の性能と機能性の向上に非常に重要になります。

市場予測では、窒化ケイ素セラミックスの世界市場は今後も拡大が続くと予想されます。技術の進歩とコストの削減により、窒化ケイ素セラミックスの応用は高級市場に限定されず、徐々により広い分野に浸透していくでしょう。さらに、環境意識の向上と関連政策の実施により、高性能で環境に優しい材料の需要がさらに高まり、窒化ケイ素セラミックス市場に新たな成長ポイントをもたらすでしょう。

まとめると、窒化ケイ素セラミックスの 3D 印刷技術は、将来的にさらに幅広い応用展望を示すことが期待されており、既存の応用分野と新興市場の需要の両方において重要な役割を果たすことになります。技術の継続的な進歩と市場の拡大により、窒化ケイ素セラミックスは、複数の業界に大きな影響を与える重要な材料カテゴリーになるでしょう。

参考文献：[1] Feng Xiangyi、Ren Guiying、Wang Dong、et al. シリコン窒化物セラミックスの光硬化3Dプリントの研究進歩[J]。Materials Review、2023、37（S2）：109-114。

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