窒化ケイ素セラミックスとは何ですか?

異なる焼結法で製造されたSi₃N₄セラミックスの性能の比較

1. 反応焼結 (RS):反応焼結は、Si3N4 セラミックを工業的に製造するために使用された最初の方法でした。シンプルでコスト効率が高く、複雑な形状を形成することができます。ただし、生産サイクルが長いため、工業規模の生産には適していません。

2. 無加圧焼結 (PLS):これは最も基本的で単純な焼結プロセスです。ただし、高品質の Si₃N4 原料が必要であり、多くの場合、密度が低く、収縮が大きく、亀裂や変形が発生しやすいセラミックが生成されます。

3. ホットプレス焼結 (HP):一軸の機械的圧力を加えることで焼結の駆動力が増大し、無加圧焼結よりも100～200℃低い温度で緻密なセラミックスを製造することができます。この方法は通常、比較的単純なブロック状のセラミックスを製造するために使用されますが、基板材料の厚さと形状の要件を満たすことが困難です。

4. スパークプラズマ焼結 (SPS):SPS は、高速焼結、結晶粒微細化、および低い焼結温度を特徴としています。しかし、SPS には多額の設備投資が必要であり、SPS による高熱伝導率 Si3N4 セラミックスの調製はまだ実験段階にあり、まだ工業化されていません。

5. ガス圧焼結 (GPS):ガス圧を加えることで、高温下でのセラミックの分解や重量減少を抑制する方法です。高密度セラミックスの製造が容易になり、バッチ生産が可能になります。しかし、単一ステップのガス圧焼結プロセスでは、内部および外部の色と構造が均一な構造コンポーネントを製造するのが困難です。 2 段階または複数段階の焼結プロセスを使用すると、粒子間の酸素含有量が大幅に減少し、熱伝導率が向上し、全体的な特性が向上します。

しかし、二段階ガス圧焼結では焼結温度が高いため、これまでの研究は主に、高い熱伝導率と室温での曲げ強度を備えた Si3N4 セラミック基板の製造に焦点を当ててきました。包括的な機械的特性と高温機械的特性を備えた Si₃N4 セラミックに関する研究は比較的限られています。