窒化ケイ素 化学特性,用途語,生産方法
外観
白色～灰色、粉末
性質
1. 物理的特性
窒化ケイ素は、高温下での強度が強いことが特徴です。不活性雰囲気下で約1,900℃まで安定で、光や衝撃に対して化学的に安定かつ、自己重合性もありません。また、高靱性で、熱膨張率が低く、耐熱衝撃性が極めて高い物質でもあります。
2. その他の特徴
窒化ケイ素は、フッ酸・・などには侵されますが、溶融金属には侵されにくい性質をもちます。また、窒化ケイ素は、約1,400℃まで安定していますが、約1,400℃～1,500℃においては、α型と呼ばれる低温安定相からβ型と呼ばれる高温安定相へと相転移が起こります。
解説
窒化ケイ素，灰色の結晶性固体．α相(三方晶系)，β相(六方晶系)の2相がある．融点1900 ℃(分解)．密度3.20 g cm－3．高温での安定性，強度，クリープ耐性，耐酸化性があり，熱伝導率30 W m－1 K－1(室温)．熱膨張率2.5 K－1(室温)とほかのセラミックスに比べて低く，熱ショックに強い．電気抵抗 1012 Ω m 以上．1800 ℃ 以上で分解する．
構造
窒化ケイ素は、α相、β相、γ相の3種類の結晶多形を持ち、α相とβ相が常圧相、γ相は高圧相です。α相とβ相が、主に材料開発の対象となっています。γ相は高圧および高温下でのみ合成でき、硬度は35GPaです。
1. α相とβ相
α相とβ相の窒化ケイ素は、それぞれ三方晶 (ピアソン記号hP28、空間群P31c、No.159) と六方晶 (ピアソン記号hP14、空間群P63、No.173) 構造を持ち、SiN4四面体の頂点を共有する形で構築されています。それらは、配列ABAB...あるいはABCDABCD...のケイ素原子と窒素原子の層からなると見なすことができます。α相の窒化ケイ素は、β相よりも積層間隔が大きく硬度も高くなりますが、化学的にはβ相より不安定になります。
2. γ相
γ相の窒化ケイ素は立方晶構造で、文献では立方晶の (c-BN) と同様に扱われることがよくあります。2つのケイ素原子がそれぞれ6個の窒素原子を八面体に配位させ、1個のケイ素原子が4個の窒素原子を四面体に配位するスピネル型構造を有しています。
製法
工業的製法として，圧縮ケイ素粉末を直接，窒素またはアンモニア気流中で1200～1500 ℃ で反応させる直接窒化法では，比較的低密度のものが得られる(reaction bonded silicon nitride，RSBN)．このほか二酸化ケイ素と炭素の混合粉末を窒素またはアンモニア気流中で1300～1550 ℃ で反応させるシリカ還元法，ハロゲン化ケイ素またはモノシランを1000～1600 ℃ でアンモニアと反応させる気相合成法がある．より過酷な条件下で使用するためには，焼結(sintered silicon nitride，SSN)またはホットプレス(hot pressed silicon nitride，HPSN)する必要がある．
用途
ボールベアリング，切削工具，タービン翼，自動車エンジンシリンダーのライニング，過給気ローター，溶接用ノズルなどに用いられるほか，硬度と耐熱性を要求される部品の材料に使用される．
化学的特性
slightly beige powder
物理的性質
Gray amorphous powder or
crystals. Resistant to thermal
shock. Good oxidation
resistance up to 1500°C but
decomposes into nitrogen and
silicon above 1850°C. Excellent
corrosion resistance to molten
nonferrous metals such as Al,
Pb, Zn, Cd, Bi, Rb, and Sn, and
molten salts like NaCl-KCl, NaF,
and silicate glasses. However,
corroded by molten Mg, Ti, V,
Cr, Fe, and Co, cryolite, KOH,
and Na
2 O.
使用
Silicon nitride (Si3N4), resistant to oxidation, is an excellent coating for metals, as well as
an adhesive and abrasive, and it is used in high-temperature crucibles. It has proven useful as
heat-resistant substance for the nozzles on rocket engines.
一般的な説明
Silicon nitride based ceramics possess high fracture toughness, hardness and wear resistance, resistance to corrosion, thermal stability. Two known polymorphs of silicon nitride exist, alpha and beta Si
3N
4, both have hexagonal structure. A study shows that a third state, cubic spinel structure, has also been synthesized.
化学性质
窒化ケイ素は共有結合性が強く，電気絶縁性である。六方晶系のα型とβ型がある。
使用用途
窒化ケイ素は、高温構造材料として、特に熱のかかる過酷な環境で使用される部品に活用されています。具体的には、「エンジン」「ガスタービン」「溶接機のトーチノズル」「燃焼器部品」などの材料として使用されています。
窒化ケイ素は他にも、高い耐摩耗性と機械強度を利用して、「成形型部品」「鋳造部品」「ダイカスト機部品」「溶接機部品」「分級機・気流式粉砕機・等の部品」「等の耐摩耗部品」「ステージ部品」「リニアモータ等の部品」などと幅広く利用されています。
法規情報
窒化ケイ素は、毒物及び劇物取締法や消防法、化学物質排出把握管理促進法 (PRTR法) のいずれにも指定はありません。労働安全衛生法では、「名称等を通知すべき有害物」に該当します。
取扱いおよび保管上の注意
取扱い及び保管上の注意は、下記の通りです。
- 容器を密栓し、乾燥した冷暗所に保管する。
- 屋外や換気の良い区域のみで使用する。
- アルカリ性物質を発生するため、水との接触は避ける。
- 使用時は保護手袋、保護眼鏡を着用する。
- 取扱い後はよく手を洗浄する。
- 皮膚に付着した場合は、石鹸と水で洗い流す。
- 眼に入った場合は、水で数分間注意深く洗う。
合成方法
シリコンの直接窒化法，シリカの炭素還元窒化法，イミド熱分解法により製造される。
窒化ケイ素 上流と下流の製品情報
原材料
準備製品