前回は、1 種類の金属元素、あるいは非金属元素と酸素との化合物である酸化物セラミックスを取り上げました。今回は、炭素、窒素、およびホウ素などの非酸素元素との化合物である非酸化物セラミックスについて、炭化チタン、炭化ホウ素、炭化ケイ素、窒化ホウ素、窒化ケイ素、ホウ化チタンなどを例に解説します。

1. 非酸化物セラミックス

非酸化物セラミックス（Nonoxide Ceramics）は、1 種類の金属元素、あるいは非金属元素と、炭素、窒素、ホウ素、ケイ素、リン、ヒ素など酸素以外の元素が化学結合した化合物です。本稿では、炭化物セラミックス（Carbide Ceramics）、窒化物セラミックス（Nitride Ceramics）、およびホウ化物セラミックス（Boride Ceramics）などの非酸化物セラミックスを取り上げます。また、２種類以上の金属元素、あるいは非金属元素と非酸素元素との化合物である多成分系の非酸化物セラミックスについても解説します（表1）。

2. 炭化物セラミックス

1種類の金属元素、あるいは非金属元素が炭素と化学結合している単一化合物を、炭化物（カーバイド）と呼びます。チタンTi と炭素C の化合物、ホウ素Bと炭素C の化合物、ケイ素Siと炭素C の化合物などが炭化物セラミックスです。

炭化チタン（TiC）は、炭素欠陥（Carbon Defect）により不定比（Nonstoichiometri）な組成領域（C/Ti＝0.55～0.96）をとる化合物です（不定比化合物：Nonstoichiometric Compound）。そのため、TiC の性質は、組成に強く依存する傾向があります。高融点、高硬度などの特徴を有し、金属に近い熱膨張係数があるため、コバルト添加の炭化タングステンWC-Co や、高速度鋼（ハイス）などの切削工具材の耐摩耗コーティング用などに利用され、その耐用を飛躍的に向上させています。

さらに、ニッケルNi やモリブデンMo などの金属基サーメット（Cermet）の主成分としても用いられます。サーメットは、金属とセラミックスの混合粉末を焼結して得られる複合材料です。耐クレータ摩耗に優れ、仕上げ切削時などに有用です。また、大気圧下室温で、導電性があるため、導電性付与物質などとしての研究開発も行われています。

ホウ素の炭化物は、B₄C、B₈C、B₁₀C、B₁₃C₂、およびB₂₅C などの化学組成の存在が報告されています。しかし、一般的に炭化ホウ素といえばB₄C を指します。B₄C 粉末の用途としては、硬質材料の研磨材があります。また、緻密質焼結体の用途としては、サンドブラスト用ノズル、および線引きダイスなどの耐摩耗部材や粉砕用乳鉢・乳棒があります。さらに、¹⁰Ｂは中性子の吸収能が大きいので、その化合物であり、耐熱性のあるB₄C は、原子炉の中性子吸収材料（コントロールロッドなど）の主成分として、工業的に広く実用化されています。

ケイ素の炭化物である炭化ケイ素SiC は、モアサナイトなどを除き、地殻中には存在しないと考えられる化学量論的化合物（定比化合物、ストイキオメトリ化合物：Stoichiometric Compound）です（モアサナイトについては後述します）。SiC の多形としては、立方晶のβ-SiCと六方晶、および三方晶菱面体型のα-SiC があります。α型が高温相、β型が低温相で、大気圧、非酸化雰囲気下の1,800 ～ 2,000℃の温度域で不可逆にβ相からα相へ相転移をします。一般的にSiC はα相が高温相です。ただし、結晶によっては例外的に、β相が高温相で、α相が低温相のものもあります。

なお、SiC の結晶構造は、SiC₄ の四面体と、CSi₄ の四面体からなり、Si とC の原子配置は、それぞれ最密充填の形をとります。Si とC が交互に層状に積み重なり、200 種を超えるさまざまな結晶構造をとります。これらの結晶構造は基本的に類似しているものの、層状（積層）構造が異なるため、これらの結晶構造をポリタイプ（Polytype）と呼びます。ポリタイプはあえて訳せば多型であり、多形（同質異像：Polymorph）ではありません。ポリタイプ（多型）の表示法としては、Ramsdell 表示法、ABC 表示法、およびZhdanov 表示法などがあります。

現在、工業的に使用されているSiC 粉末、およびSiC 焼結体は、β相3C 型（1,600℃以上では2H 型以外のα相へ転移しやすい）、α相2H 型（1,400℃以下で生成しやすい）、α相4H 型（2,000℃付近で生成しやすい）、α相6H 型（2,200℃以上で最も安定）、およびα相15H 型（6H 型同様に2,000℃以上で生成しやすい）があり、複数の結晶構造が共存しています。

SiC 系の研磨剤などの代名詞にもなっているカーボランダムは、100 年以上前にアメリカのカーボランダム社で製造されたSiC 製品の商品名（固有名詞）です（現在は、フランスのサンゴバン社Saint-GobainCorp. のCarborundum 事業部）。BとC を焼結助剤として少量の同時添加をしたSiC 焼結体は、耐熱性、耐酸化性、耐腐食性、高硬度などの特徴を生かした、エンジニアリングセラミックスとして有用な工業材料の一つです。近年では、半導体部材などとしても利用されています。また、SiC は、電気炉用の発熱体としても用いられています。セラミック発熱体については、次回、説明します。

モアサナイト（Moissanite）は、地球外から飛来する隕石からほぼ産出します（フランスの科学者モアッサン（Ferdinand Frédéric HenriMoissan）が1893 年に発見）。人工的な宝石商品例としては、世界で初めてほぼ無色透明なSiC 単結晶の人工宝石として商品化に成功したアメリカのチャールズ＆コルバート社Charles & Colvard Ltd.が有名です。図1 に同社製の商品例を示します。

以上、代表的な炭化物セラミックスとして、TiC、B₄C、およびSiC を取り上げました。これら以外にも、実用材料としての炭化物も数多くあります。炭化タングステンWC は、コバルトCo などを結合材に用いて、高温で焼結したもので、スローアウェイ（使い捨て）チップ（Throw-away Chip）などの切削工具（Cutting Tool）として広く利用されています。炭化クロムCr₃C₂ は、耐食性、および耐酸化性などに優れ、鋼片加熱炉用のスキットボタン（Skit Button）などの耐火物材料や、溶射（Thermal Spraying）材料などに応用されています。炭化ベリリウムBeC は、原子炉の減速体（Moderator）として用いられ、炭化ウランUC は、原子炉の熱放出材料や核燃料への適用が研究展開されています。

3. 窒化物セラミックス

4. ホウ化物セラミックス

5. その他の非酸化物

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全10回で下記の内容を解説しています。

• 第1回　セラミックスとは
• 第2回　化学組成と結晶構造について
• 第3回　単体セラミックスと化合物セラミックス
• 第4回　オールドセラミックスとニューセラミックス
• 第5回　酸化物セラミックス
• 第6回　非酸化物セラミックス
• 第7回　セラミックスの作り方（焼結体）
• 第8回　セラミックスの作り方（単結晶など）
• 第9回　セラミックスの物理的特性評価（機械的特性～密度、強度、硬度～）
• 第10回　セラミックスの物理的特性評価と化学的特性評価