窒化ケイ素Si3n4

窒化ケイ素製品は、プロセスに応じて反応焼結製品、ホットプレス製品、常圧焼結製品、静水圧プレス焼結製品、反応重焼結製品に分類できます。中でも、反応焼結は窒化ケイ素耐火物を製造する方法として一般的に使用されています。

反応焼結法による窒化ケイ素製品の製造は、微粉砕されたケイ素粉末（粒子サイズは通常80μm未満）を製造し、グリーンボディを乾燥させた後、機械的または静水圧プレスによって成形し、窒素中で1350〜1400度に加熱し、焼成と同時に窒化も行います。この製法では、原料条件、焼成工程、雰囲気条件が製品の性能に大きく影響します。

シリカ粉末には、Fe、Ca、Aì、Tiなどの不純物が多く含まれています。Feは反応過程での触媒と考えられています。シリコンの拡散を促進することができますが、同時にポロシティなどの欠陥の原因にもなります。添加剤としての Fe の主な役割: 製品表面の SiO2 酸化膜の形成を促進する反応プロセスの触媒として使用できます。鉄 - シリコン溶融系が形成され、窒素が液体 FeSi2 に溶解し、-Si3N4 の形成が促進されます。ただし、鉄粒子が大きすぎたり、含有量が多すぎると製品に気孔などの欠陥が発生し、性能が低下します。一般に、鉄の添加量は0~5%です。 Al、Ca、Tiなどの不純物はシリコンと共晶を形成しやすい。適量の添加により焼結が促進され、製品の性能が向上します。

粒子径が細かく比表面積が大きいほど焼成温度は低くなります。粗い粒子サイズと比較して、製品中の -Si3N4 の量が増加します。シリカフュームの粒子サイズを小さくすると、製品の微細な細孔サイズを小さくできます。適切な粒度比により製品の密度を向上させることができます。

温度は窒化速度に大きな影響を与えます。窒化反応は970～1000℃で始まり、1250℃付近で反応速度が加速します。高温段階では、発熱反応により温度がシリコンの融点（1420度）を急速に超えると、シリコンが流動しやすくなり、シリコン粉末本体が溶融して崩壊する原因となります。

2023年4月、ライプニッツ大学フォトニクス研究所所長のマイケル・M氏は、「ハイブリッド技術」の助けを借りて、Kusチームはリン化インジウム製のレーザー、フィルター、窒化ケイ素製のキャビティを組み合わせ、統合した。それらを単一のチップ上に搭載します。 

2023年、韓国材料研究院エンジニアリングセラミックス研究室の研究チームは、電気自動車駆動モジュール用の窒化ケイ素ベアリングボールを製造した。窒化ケイ素ボール技術を使用したハイブリッドベアリングの世界市場規模は1.3倍以上に成長すると予想されている2026年までに1兆ウォン。