セラミックス 4月 18日（水）担当教員：永山勝久構成 1. 2. 3. 4. 5. はじめにニューセラミックスとはセラミックスの構造イオン結合と共有結合補章『ニューセラミックス』の概要 1．はじめに･･･セラミックス（ｃｅｒａｍｉｃｓ）とは何か？陶磁器のように昔から使われている材料であるが、先端科学・工学技術（ハイ・テクノロジ－ ex. IT産業）を支える基盤材料に移行・展開 IT：Information Technology：情報・通信技術セラミックス材料の変革 ○窯炉材料（炉内レンガ） ○建築材料（屋根瓦） ○家庭用品（食器・陶磁器）：窯業製品（従来型用途）（クラシックセラミックス）ニュ－セラミックス〈次世代の材料へ〉代表例：絶縁用ガラス〈電気工学用〉→ＩＣ基板 ICパッケージ〈電子工学用先端材料〉学問から見たセラミックスの現状問題点合成 (製造) 有機材料（ポリマー；プラスチック、ゴム材料）のようなミクロ結合（原子、分子結合）制御が困難物性 (特性) 金属材料のような特性と構造の関係が不明確＜構造特性＞先端セラミックス(ニューセラミックス)材料の現状・・・主な用途・応用分野 ①電子・磁気材料関連・・・半導体、誘電体、コンデンサ、IC基板、ICパッケージ ②光通信用オプティカルファイバ－・・・超高純度シリカ（ＳｉＯ2） ③レーザー発振子（発振源）・・・超高純度セラミックス単結晶 (ex.ルビーレーザー) ④高温高強度セラミックス・・・自動車用エンジン材料 (;ハイブリッドカー用) (ジェットエンジン材料・・・タービンブレード）航空・宇宙用材料セラミックス材料の今後酸化物系超伝導材料（ex.Bi-Sr-Ca-Cu-O系） ①エネルギ－（：セラミックス高温超伝導材料）「燃料電池」としてのセラミックスの応用 ②生命科学（：生体用材料・・・人工骨，弁，関節，歯） ③原子力工学（：原子炉用材料）高温高強度特性対中性子特性 ④宇宙工学（ :スペースプレーン，宇宙ステ－ション用材料） (エンデバー号の主要材料) スペースプレーン；次世代航空機（「宇宙材料実験」における主要研究対象材料） 2.ニュ－セラミックス（ファインセラミックス）とはオ－ルドセラミックスとは？窯業製品：陶磁器，ガラス，セメント無機物系原料を熱加工した“焼き物”の総称脆くて割れ易いという致命的欠点を有する天然の無機物原料を焼結図：マイセンのティーカップニュ－セラミックスとは？原料自体を人工的に合成し、高純度かつ微細均質化した無機化合物（ファインセラミックス）化合物を精密な製造・加工工程を用いて焼結したもの ①高温でも硬い，②燃えない，③錆びない，④圧力を加えると電気を通すなどの優れた機能を有する新しい材料の誕生 ※セラミックス原料・・・ ①高純度(～99.9%以上) ②粒子径の微細化（：０．２μｍ程度） →粒径の微細化に伴う表面エネルギ－の増大を利用して焼結性の向上とセラミックス製品自体の緻密化を促進ｃｆ．ファインセラミックス（Fine Ceramics）＝微細結晶粒セラミックス 3.セラミックスの構造単結晶体と多結晶体について図：セラミックスの単結晶と多結晶の構造概念図（ａ）単結晶体・・・結晶中の原子配列が連続で、一つの面方位のみ有する結晶 (ex.半導体Si) （ｂ）多結晶体・・・種々の大きさの結晶粒の集合体で、結晶粒同士の結合界面には結晶粒界(非整合部分)が形成される(:通常の材料) 多結晶体・・・種々の大きさの結晶の集合体で、結晶粒同士の結合界面には結晶粒界が形成される結晶粒界は異なった方位を有する結晶の結合部分(非整合部)であるため、非整合界面に起因する格子欠陥や格子ひずみなどが発生し、かつ不純物が偏析する多結晶体の一般的組織構造 (粒界、粒内）：①気孔（pore）が存在する ②不純物を構成主元素としたガラス相の形成（:焼結部分液相化） ③冷却時に形成された微小亀裂（凝固収縮に伴う結晶粒の異方性により生じる微小割れ）多結晶体中の構造欠陥（:結晶粒界，気孔，微小亀裂，ガラス相） ↓ 強度特性を劣化させるため、高強度図：多結晶体の微細構造セラミックス材料では気孔を減少させ、結晶粒を微細化させる