セラミック製品の今後の発展に向けた5つの主要産業

電気自動車産業

 

中国汽車工業協会の最新データによると、中国の新エネルギー車の生産台数は1月から11月までにそれぞれ625万3000台、606万7000台に達し、前年比約100%増、市場シェアは25%に達した。この期間の生産・販売の伸びは市場をはるかに上回り、新エネルギー車の普及率は36%を超え、引き続き上昇を続けている。電気自動車の技術は絶えず進化しており、部品の設計や素材の置き換えが進んでいる。新エネルギー電気自動車の普及は、先進技術を全面的に採用している。 セラミック材料 独自のパフォーマンス上の利点があるためです。

その中で、HIPシリコン窒化物ベアリングボールと高熱伝導性シリコン窒化物基板が普及しています。

 

 

01 窒化ケイ素軸受用HIPボール

新エネルギー車のモーターベアリングは、標準的なベアリングと比較して回転速度が高いため、密度が低く、比較的耐摩耗性の高い材料が求められます。窒化ケイ素セラミックベアリングでは、ボールがベアリングシステム内で発生する熱と摩擦が少なくなっています。特に、窒化ケイ素は天然に存在する電気絶縁体であり、ベアリング放電による電食を防ぎ、潤滑油とベアリングの寿命を延ばし、最終的にはベアリングの故障を誘発する可能性があります。電気自動車を含むさまざまな分野での使用に最適です。

 

電動化の時代を迎え、セラミックベアリングはスチール製ボールベアリングに取って代わる傾向が高まっています。国内の小鵬P7、G9、威来ET7などのモデルには、窒化ケイ素セラミックボール絶縁ベアリングが採用されています。例えば、テスラのモーターの出力軸には、NSKが設計したハイブリッドセラミックベアリングと、50個の窒化ケイ素ボールからなるベアリングボールが採用されています。

熱間静水圧プレス（HIP）とガス圧 焼結 GPS法（HIP法）は、窒化ケイ素セラミックボール焼結において最も広く普及している2つの製造技術です。この2つの方法で得られるセラミックボールは、様々な用途で広く使用されています。HIP法による窒化ケイ素は、GPS法による窒化ケイ素よりも優れた機械的特性と長い疲労寿命を有します。

現在、有名な外国企業が国際市場シェアを支配し、開発を続けています。午後高級セラミックベアリング製品の製造は日本、ヨーロッパ、アメリカの企業が引き続き主導権を握っている一方で、中国は方向転換を迫られています。2015年には、我が国に National Materials High-Tech Nitride Ceramics Co., Ltd. が設立されました。

中碍セラミックは、熱間静水圧プレス法による窒化ケイ素セラミックボールの量産技術において飛躍的な進歩を遂げ、中国で初めて同材料の量産体制を確立した企業となり、日本の東芝、米国のクステックに次ぐ3番目の企業となりました。製品は、スウェーデンのSKF、米国のティムケン、ドイツのGMN、スペインのフォルサなどへ出荷されています。さらに、中碍セラミック金盛なども同様の製造方法を用いて、1000MPaの曲げ強度を持つ窒化ケイ素ベアリングボールを製造しています。

 

 

02 高熱伝導性窒化ケイ素セラミック基板

窒化シリコンセラミック基板は、主に電気自動車（EV）やハイブリッド電気自動車（HEV）のパワーユニット、半導体デバイス、インバーターに使用されており、大きな市場ポテンシャルと応用の見通しを持っています。

現在、高熱伝導性窒化ケイ素セラミック基板材料の実用化には、曲げ強度650MPa、破壊靭性5～7MPa・m1/2、熱伝導率85W/(m・K)が求められています。高熱伝導性窒化ケイ素セラミック基板の量産能力を有する主要企業は、東芝グループ、日立金属、日本電気化学、丸和、日本ファインセラミックスです。

 

さらに、国内では窒化ケイ素セラミック基板材料の研究が進展しており、北京市中馬人工結晶研究所有限公司は焼結方法とプロセスを最適化することで、曲げ強度700～800MPa、破壊靭性8MPa·m1/2以上、熱伝導率80W/(m·K)以上の窒化ケイ素セラミック基板の開発に成功しました。中馬高科窒化物セラミックス有限公司北京支社がテープキャスティング法を用いて製造した窒化ケイ素セラミック基板の熱伝導率は100W/(m·K)です。

 

新エネルギー車の普及と人工知能（AI）の発展に伴い、電気自動車は現在、知能化へと歩みを進めています。自動車メーカーは、LIDAR用パッキング材、カーボンセラミックブレーキ、高容量MLCC、セラミック熱伝導材料など、様々なセラミック材料にも関心を示しています。

 

半導体の製造

半導体産業は「技術一世代、プロセス一世代、設備一世代」という産業法則を支配しており、精密部品技術の進歩は半導体装置の近代化と反復に不可欠です。精密セラミック部品はその中でも半導体精密部品の最も代表的な材料であり、エッチング、化学蒸着、物理蒸着、イオン注入など、多くの主要な半導体製造プロセスで使用されています。例えば、機械ハンドリングアーム、静電チャック、ライナー、ガイドレール、ベアリングなどです。特に装置キャビティ内では、安定化、防御、気晴らしの役割を果たします。

 

半導体製造 半導体産業は「技術一世代、プロセス一世代、装置一世代」という産業法則に支配されており、精密部品技術の向上は半導体装置の近代化と反復に不可欠です。半導体精密部品に使用される材料の中で、精密セラミック部品は最も代表的な材料です。エッチング、化学蒸着、物理蒸着、イオン注入など、半導体製造における重要な工程で使用されています。ベアリング、ライナー、ガイドレール、静電チャック、機械式ハンドリングアームなど、様々な部品に用いられています。特に装置キャビティ内部において、転流、防御、安定化などの役割を果たします。

 

 

省エネ・環境保護産業

国家の「双炭素」政策の指導の下、あらゆる産業は省エネ、炭素削減、汚染削減、効率向上の方向へと徐々に発展しています。こうした背景の下、セラミック産業はエネルギー消費と環境保護の圧力に直面していますが、同時にセラミック材料に新たな発展の機会をもたらしています。

 

 

01 セラミック膜

セラミック膜を中核とした膜分離技術は、従来のろ過分離技術に代わり、ろ過分離、濃縮精製、精製不純物除去などのプロセス産業や特殊水処理分野における高効率分離プロセスとして現在主に活用されています。

セラミック平膜

中でも、高性能セラミック平膜は、複雑な環境下における流体のろ過、分離、精製を可能にします。耐熱・耐圧性、優れた化学的安定性、高いろ過効率、優れた信頼性、低い運転・保守コスト、長寿命、そしてライフサイクル全体にわたる環境への配慮といった特性を備えています。都市下水、分散型水処理、黒色水・悪臭水処理、再生水再利用、工業団地排水処理といった分野で広く利用・推進されており、国際的な高性能セラミック分離膜分野における主要な発展方向であり、幅広い市場展望を有しています。

水処理に加え、我が国では大気汚染対策も視野に入れています。環境に優しい希土類金属酸化物系ナノ脱硝触媒をセラミック繊維複合膜材料を支持体として担持することで、高温脱硝・除塵用繊維膜を作製しました。これは、脱硝と除塵の機能を一体化したフィルターエレメントであり、高温条件下でガスの直接浄化を実現します。

 

 

02 エアロゲル

超断熱材であるエアロゲルの広範なグリーン化・低炭素化開発は、エアロゲル分野にこれまでにない成長の可能性をもたらしました。この新しいエアロゲル技術は、グリーン製造業の成長と融合し、グリーン産業の急速な発展のトレンドに沿って、より多くの新しい製品用途を生み出すことが期待されています。

 

エアロゲルは、極めて低い密度、極めて高い多孔性、低い屈折率、低い熱伝導率、低い音響インピーダンスなど、一般的な固体材料には見られない特性を有しています。これらの特性により、断熱材、バイオメディカル、遮音材、吸着材などの分野における大きな応用可能性が期待されており、市場需要の潜在性は非常に大きいです。

 

 

バイオ医薬品産業

社会が発展し、人々の生活が向上するにつれて、人工インプラントや人工臓器が治療現場でますます多く利用されるようになるでしょう。我が国では、ステンレス鋼やコバルト合金といった金属は、その優れた機械的特性と制御性から、長年にわたり整形外科の治療や修復に利用されてきました。しかしながら、生体適合性に欠けています。そのため、より健康的で生体適合性の高いコーティング材料やバイオセラミックスの市場と研究が急速に拡大しています。

Al2O3、ZrO2、ZTA、Si3N4などの生体医療用セラミックスや関連複合セラミック材料は、その優れた破壊靭性と耐摩耗性から、外科用荷重支持補綴物、歯科インプラント、骨補填材などに広く用いられています。酸化ジルコニウムは優れた性能と美しさから歯科修復材として広く使用されていますが、その強度はガラスセラミックスに由来しています。中でも、窒化ケイ素は殺菌効果と自己潤滑性を兼ね備えており、インプラントは長期にわたる安定した生物学的安定性を有しています。

2022年には、世界の医療用セラミック材料市場規模は約150億米ドルに達すると予測されています。中国の医療用セラミック材料市場は、2022年には約45億米ドルに達すると予想されています。そのうち、アルミナセラミックが大部分（約60%）を占めています。窒化ケイ素セラミックは整形外科用インプラントに使用され、ジルコニアセラミックは主に歯科で利用されています。

 

 

航空宇宙部門

セラミックスは、様々な過酷な用途において、常に卓越した性能を発揮することで際立っています。軍事産業と航空宇宙産業は、先端セラミックスが最も好まれる用途市場です。「耐高温性」と「ステルス性」は、航空宇宙産業における2つの主要なセラミック開発分野です。

 

新世代の軍用航空エンジンでは、単結晶、遮熱コーティング、アクティブ空冷のポテンシャルが徐々に枯渇するにつれ、新たな耐高温構造材料へのニーズが高まっています。SiC/SiC-CMCは、耐高温構造材料の最有力候補の一つとして浮上しています。SiC/SiC-CMCは、主に炭化ケイ素繊維によって強化・強靭化されています。SiC/SiC-CMCの最も重要な原料は炭化ケイ素繊維であり、1200℃以上の耐熱性を有し、航空大国による研究競争の注目を集めています。

 

 

吸収材料は、通常、吸収媒体（吸収剤）とマトリックス材料（バインダーとも呼ばれる）で構成され、最も重要なステルス材料の一つです。炭化ケイ素は、多波長吸収セラミック材料の製造に用いられる主成分です。無機セラミックナノ粒子と無機ポリマー材料を組み合わせることで、コーティングの一種であるセラミック赤外線ステルス材料が形成されます。効果的な広帯域電磁波吸収を実現するために、無機セラミックナノ粒子は無機ポリマーマトリックス中に均一に分散され、厳密に制御されています。