レビュー：シリコンカーバイドセラミック積層造形研究の新たな進歩

出典: DT-Carbontech

さまざまな新しい応用シナリオにおけるシリコンカーバイド (SiC) セラミック構造部品の需要が徐々に増加しています。例えば、原子力産業における大型で複雑な形状のSiCセラミック原子炉コア、集積回路製造の重要設備であるリソグラフィー機のSiCセラミック作業台、ガイドレール、反射鏡、セラミック吸盤、アームなど、新エネルギーリチウム電池の生産のための中高級精密SiCセラミック構造部品、太陽光発電産業の生産に使用される拡散炉用の高級精密SiCセラミック構造部品、電子半導体用ハイエンドチップの製造工程で使用される精密高純度SiCセラミック構造部品など。

しかし、SiC は Si-C 結合が非常に強い共有結合化合物であるため、その硬度はダイヤモンドに次ぐものです。硬くて脆く、加工中に欠陥が発生しやすいです。複雑な幾何学的形状を持つ炭化ケイ素セラミック部品は、従来の加工技術では製造が難しいことがよくあります。これにより、複雑な構造の炭化ケイ素セラミックの応用が大きく制限されます。3D 印刷技術は、この問題を効果的に解決できます。

△ 3DプリントSiCの模式図
3D プリント SiC セラミック製造技術は、SiC セラミックの研究と応用の現在の開発方向の 1 つになっています。 3D プリントされた SiC セラミックは主に反応焼結 SiC セラミックであり、そのほとんどは密度が 2.95 g·cm-3 未満で、シリコン含有量は通常 30 vol% 以上、場合によっては 50 vol% にもなります。シリコンの融点は 1410°C 未満であるため、シリコンの動作温度は比較的低く、半導体分野 (LPCVD など) における 3D プリント SiC セラミックスの応用シナリオは制限されます。

SiCセラミックスの3Dプリント分野における新たな進歩<br /> 中国科学院上海陶磁器研究所の黄正仁研究員のチームの研究者である陳建氏は、SiCセラミックスの3Dプリントにおける高温溶融堆積と反応焼結を組み合わせた以前の提案に基づき、セラミックプリント体の等価炭素密度を0.80g·cm-3から理論上の等価炭素密度0.91g·cm-3に近い値までさらに高めました。等価炭素密度の増加により、シリコン化は指数関数的に困難になり、直接液相シリコン化ではチャネルが簡単に閉塞し、シリコン化の失敗を引き起こす可能性があります。

△気相シリコン化により形成された多孔質SiCシェル層最近、研究チームは、気相シリコン化と液相シリコン化を組み合わせた逐次シリコン化法を提案し、気相溶融浸透反応により多孔質SiCシェル層を形成し、液相シリコン化の初期段階での高炭素密度セラミック印刷体の急速で激しい反応を回避し、液体シリコンと固体炭素の接触面積を制限しました。これにより、浸透経路が塞がれることがなくなり、その後の液相反応がゆっくりと連続的に進行します。

△ 気相・液相複合シリコン化法で得られたSiCセラミックスの機械的性質本研究で作製したSiCセラミックスの密度は3.12g·cm-3に達し、シリコン含有量は約10vol%に減少し、曲げ強度と弾性率はそれぞれ465MPaと426GPaに達し、機械的性質は常圧で固相焼結したSiCセラミックスのものと同等であり、SiCセラミックスの周囲動作温度を向上させることができる。

当該研究成果は欧州セラミックス協会誌に掲載され、中国発明特許2件を申請（うち1件は認可済み）した。この研究は、国家重点研究開発計画、中国国家自然科学基金、上海自然科学基金の支援を受けて実施されました。

SiCセラミック積層造形の課題と機会

高密度化と強化現在、積層造形法で製造された SiC セラミック材料の密度と強度/靭性は、従来の製造方法に比べるとまだ劣っています。新たなプロセスを開発し、積層造形されたSiCセラミック材料の密度と靭性を向上させる方法は、次の段階で解決する必要がある重要な問題です。これは、積層造形されたSiCセラミック材料が実際にエンジニアリングに適用できるかどうかを直接決定します。

△ 積層造形によるSiCセラミック材料の緻密化と強靭化
欠陥の定量的評価と正確な制御

積層造形のプロセス特性により、セラミック製品に多くの欠陥が存在することを避けることは困難です。しかし、欠陥の種類、欠陥の原因、および正確な欠陥抑制については、これまで体系的な注目が集まっていませんでした。 X-CT を含む非破壊検査技術の開発により、積層造形材料の内部製造欠陥を正確かつ定量的に評価する新しい方法が提供されました。次の段階で重点的に取り組むべき主な課題は、積層造形セラミック材料の内部製造欠陥の種類、原因、発生メカニズムを正確に分析し、積層造形SiCセラミック材料の内部製造欠陥に対する正確な制御戦略を確立することです。

複合材料

セラミック材料の本質的な脆さは、SiC セラミック材料では回避が難しい「致命的な」問題のままです。 1D、2D、3D 強化相を備えた SiC セラミック材料の複合材料を実現することは、将来の SiC セラミック材料の積層造形の重要な焦点となるでしょう。 SiCセラミック材料の積層造形においてウィスカー、短繊維、その他の強化相の使用に関する研究報告はいくつかあるが、連続繊維強化SiCセラミック材料の積層造形には依然として大きな問題が残っている。連続繊維強化 SiC セラミックマトリックス複合材料の効率的な付加製造技術をどのように開発するかが、この分野の次の段階における重要なブレークスルーとなるでしょう。

構造化、機能化、構造機能統合

軽量構成設計やメタマテリアル設計などの構造設計のアイデアと、複雑な特殊形状部品の形成における積層造形技術の独自の利点を組み合わせることで、SiCセラミック材料の構造化は、将来、セラミック材料と構造設計の組み合わせにとって重要な方向性となります。さらに、革新的な構造構成設計により、積層造形されたSiCセラミック材料構造の電磁気、音響、光学、熱などの優れた機能を実現することができ、これは将来的にセラミック材料と構造設計の組み合わせのもう一つの成長ポイントにもなります。最後に、積層造形をベースにSiCセラミック材料の構造と機能の統合をどのように実現し、軽量断熱統合、軽量電磁波吸収統合、軽量耐衝撃統合などの構造と機能の統合構造を得るかが、セラミック材料における積層造形技術の究極の現れの一つとなるでしょう。

4Dプリンティングとその他の先進的な開発方向

積層造形技術をベースに、可変形状、可変性能、可変機能を備えたSiCセラミック材料の積層造形のための4Dプリント設計方法を開発するか、あるいは他の先進的な開発方向（ゼロ膨張、負のポアソンなど）を突破するかは、今後のSiCセラミック材料の積層造形分野における新たな明るい兆しであると筆者は考えている。

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