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サーメットとは、セラミック材料と金属材料から構成される複合材料である。
サーメットは、耐熱性や硬度といったセラミックスの優れた特性と、塑性変形能力といった金属の優れた特性を兼ね備えています。金属は酸化物、ホウ化物、または炭化物の結合剤として使用されます。一般的に使用される金属元素は、ニッケル、モリブデン、コバルトです。材料の物理構造によっては、サーメットは金属マトリックス複合材料となる場合もありますが、サーメットの金属含有量は通常、体積比で20%未満です。
サーメットは、抵抗器（特にポテンショメータ）、コンデンサ、および高温にさらされる可能性のあるその他の電子部品の製造に使用されます。
サーメットは、優れた耐摩耗性と耐腐食性を持つため、 鋸やその他のろう付け工具において炭化タングステンの代わりに用いられます。窒化チタン（TiN）、炭窒化チタン（TiCN）、炭化チタン（TiC）などは、適切な下地処理を施せば炭化タングステンと同様にろう付けできますが、研削時には特別な取り扱いが必要です。
MAX相の複合材料は、アルミニウムまたはチタン合金との三元炭化物または窒化物の新しいクラスであり、金属によく見られる延性および破壊靭性に加えて、硬度と圧縮強度に関してセラミックスの好ましい特性を示す高価値材料として、2006 年以来研究されてきました。アルミニウム-MAX相複合材料を含むこのようなサーメット材料は、自動車および航空宇宙用途で潜在的な用途があります。[ 1 ] [ 2 ] [ 1 ]
サーメットの中には、宇宙船の遮蔽材としての利用も検討されているものがある。これは、アルミニウムやその他の金属といった従来の宇宙船材料よりも、微小隕石や軌道上のデブリの高速衝突に対する耐性がはるかに優れているためである。
材料科学の文献では、サーメットという用語は広義と狭義の両方で使用されています。広義では、セラミック相が支配的で金属相が主に結合材として機能するセラミック-金属複合材料を指します。この用法では、WC-Coなどの超硬合金もサーメットとして扱われることがあります。[ 3 ]
しかし、切削工具の実務では、この用語は、Ni および/または Co バインダーを含む TiC および特に Ti(C,N) ベースの材料に対してより狭義に使われることが多く、WC-Co グレードは一般的に超硬合金または超硬合金として別々に議論されます。[ 3 ] [ 4 ]この使用法の違いは、サーメット、超硬合金、超硬合金の境界が文献で常に一貫して扱われていない理由を説明するのに役立ちます。[ 5 ]
サーメット類似材料の歴史は、サーメットという用語が作られる以前に遡ります。Coバインダーを用いたWCベースの超硬合金は、1923年にオスラムで開発され、1927年にクルップによってWidiaという商標名で商品化されました。[ 5 ]その後の10年間で、WC以外の超硬合金も登場し、1930年に米国でRametとして販売されたTaC-Ni材料や、 1931年にオーストリアでTitanitとして商品化されたTiC-Mo 2 C-Ni-Crグレードなどが含まれます。 [ 6 ]これらの初期の開発は、後の資料で超硬合金、超硬合金、サーメットの歴史がまとめて議論されることがある理由を説明するのに役立ちます。[ 7 ]
第二次世界大戦後、高温・高応力に耐える材料の開発の必要性が明らかになった。戦時中、ドイツの科学者たちは合金の代替として酸化物系サーメットを開発した。彼らはこれを新型ジェットエンジンの高温部や高温タービンブレードに利用できると考えた。今日では、耐熱性チャンバーとして、セラミックスはジェットエンジンの燃焼器部に広く用いられている。セラミック製のタービンブレードも開発されている。これらのブレードは鋼鉄製よりも軽量で、ブレードアセンブリの回転加速（スプールアップ時間）を向上させることができる。
アメリカ空軍はこの材料技術に可能性を見出し、米国における様々な研究プログラムの主要なスポンサーの一つとなった。研究に着手した最初の大学には、オハイオ州立大学、イリノイ大学、ラトガース大学などがあった。
サーメットという言葉は、実際にはアメリカ空軍によって造語されたもので、セラミックと金属という2つの材料の組み合わせであるという考えに基づいています。セラミックは、高い融点、化学的安定性、特に耐酸化性といった基本的な物理的特性を備えています。金属の基本的な物理的特性には、延性、高強度、高熱伝導率などがあります。
最初に開発されたセラミック金属材料は、セラミック部分に酸化マグネシウム（MgO）、酸化ベリリウム（BeO）、酸化アルミニウム（Al 2 O 3 ）を使用しました。980 °C 付近での高応力破断強度に重点が置かれました。 [ 8 ] オハイオ州立大学は、1200 °C 付近で高応力破断強度を持つAl 2 O 3 ベースのサーメットを最初に開発しました。 ペンシルベニア州ラトローブに拠点を置く金属加工および工具会社であるKennametal は、980 °C で19 メガパスカル（2,800 psi）および 100 時間応力破断強度を持つ最初の炭化チタンサーメットを開発しました。ジェットエンジンはこの温度で動作し、これらの材料を部品に使用するためのさらなる研究が行われました。
これらのセラミック金属複合材料の製造における品質管理は、標準化が困難であった。生産は少量ロットに限定せざるを得ず、ロット内でも特性に大きなばらつきが生じた。材料の破損は、通常、加工中に発生した未検出の欠陥が原因であった。
1950年代のジェットエンジンの既存技術は、もはや改良の余地がほとんどない限界に達していた。そのため、エンジンメーカーはセラミックメタルエンジンの開発に消極的だった。しかし、1960年代に入り、窒化ケイ素と炭化ケイ素の研究が本格化すると、再び関心が高まった。これらの材料は、優れた耐熱衝撃性、高い強度、そして適度な熱伝導率を備えていた。
Niおよび/またはCoバインダーを用いたTi(C,N)系サーメットは、高い硬度、耐摩耗性、比較的低い摩擦係数、および化学的安定性のため、切削工具や研削工具に広く使用されています。[ 4 ]これらは、金属加工用途において最も重要なサーメットシステムの一つです。[ 3 ]
WCベースのサーメットや超硬合金は、切削工具、ドリル部品、伸線ダイス、パンチ工具、耐腐食性または耐摩耗性コーティングなど、厳しい摩耗用途にも使用されています。[ 10 ]最近では、選択的レーザー焼結/溶融、LENS、バインダージェット印刷、バルク部品の直接インク書き込みまたはロボキャスティングルートなどの積層造形においてもサーメットが研究されています。[ 11 ]
サーメットは、当初はセラミックと金属の接合用途で広く使用されていました。真空管の製造は、電子産業がこのようなシールを採用および開発していた最初の重要なシステムの 1 つでした。ドイツの科学者は、ガラスの代わりにセラミックを使用することで、性能と信頼性が向上した真空管を製造できることを認識しました。セラミック管は、より高い温度で脱ガスできます。高温シールのため、セラミック管はガラス管よりも高い温度に耐えることができます。セラミック管は、ガラス管よりも機械的に強く、熱衝撃に対する感度も低くなっています。[ 12 ] 今日、サーメット真空管コーティングは、太陽熱温水システムの鍵であることが証明されています。
セラミックと金属のメカニカルシールも使用されています。従来、これらは燃料電池や、化学エネルギー、核エネルギー、熱電子エネルギーを電気に変換するその他の装置で使用されてきました。腐食性の液体金属蒸気中で動作するように設計されたタービン駆動発電機の電気セクションを隔離するためには、セラミックと金属のシールが必要です。[ 12 ]
生体セラミックスは、生体医療材料において幅広い役割を果たしています。これらの材料の開発と製造技術の多様化により、人体への応用範囲が拡大しました。生体セラミックスは、金属インプラント上の薄膜、ポリマー成分を含む複合材料、あるいは多孔質ネットワークなど、様々な形態で存在します。これらの材料が人体内で良好な働きをする理由はいくつかあります。生体セラミックスは不活性であり、吸収性があり活性であるため、体内で変化することなく留まることができます。また、溶解して生理学的プロセスに積極的に関与することも可能で、例えば、骨構造と化学的に類似したハイドロキシアパタイトは、骨と一体化して骨の成長を促進します。生体セラミックスに一般的に使用される材料には、アルミナ、ジルコニア、リン酸カルシウム、ガラスセラミックス、熱分解炭素などがあります。
生体セラミックスの重要な用途の 1 つは、股関節置換手術です。人工股関節に使用される材料は通常、チタンなどの金属で、股関節ソケットは通常プラスチックで裏打ちされています。多軸ボールは丈夫な金属ボールでしたが、最終的にはより耐久性のあるセラミックボールに置き換えられました。これにより、人工股関節ソケットのプラスチック裏打ちに対する金属壁に関連する粗面化が軽減されました。セラミックインプラントの使用により、股関節置換部品の寿命が延びました。[ 13 ]
歯科用サーメットは、歯科治療において詰め物や補綴物の材料としても使用される。
セラミック部品は、ブレーキやクラッチの摩擦材として金属部品と組み合わせて使用されてきた。[ 12 ]
サーメットは電気抵抗ヒーターの発熱体として使用されます。ある製造技術では、サーメット材料をインクとして調合し、基板に印刷してから加熱して硬化させます。この技術により、複雑な形状の発熱体を製造することができます。サーメット発熱体の用途例としては、サーモスタットヒーター、ボトル殺菌用熱源、コーヒーカラフェウォーマー、オーブン制御用ヒーター、レーザープリンター定着器ヒーターなどがあります。[ 14 ]
アメリカ陸軍とイギリス陸軍は、サーメットの開発に関して広範な研究を行ってきた。これには、兵士用の軽量セラミック製防弾装甲やチョバム装甲の開発が含まれる。
サーメットは切削工具の加工に使用されるほか、釣り竿用の高品質なラインガイドのリング材としても用いられる。
劣化核分裂性物質（ウラン、プルトニウムなど）とソーダライトのサーメットは、核廃棄物の貯蔵における利点について研究されてきた。[ 15 ] 同様の複合材料（CerMet燃料）は、原子炉[ 16 ]や核熱ロケットの燃料形態としての使用についても研究されている。
ナノ構造サーメットとして、この材料は太陽光吸収体や選択吸収面など、光学分野で利用されています。粒子サイズ（約5 nm）のおかげで、金属粒子上に表面プラズモンが発生し、熱伝導が可能になります。
2026年、アップルが仲介したエリシスとアルコアの提携により、ホール・エルー法によるアルミニウム製造プロセスで炭素系陽極に代わるサーメットが製造され、 CO2排出がO2に置き換えられた。[ 17 ]
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