セラミックス第9回６月18日(水）セラミックスの物性セラミックスの物性ーセラミックスの材料物性ー機能大分類： ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ 熱的機能機械的機能生物・化学的機能電気・電子的機能（含磁気材料関連）光学的機能原子力関連機能熱的性質 ◎セラミックス材料特有の熱的問題点（１）熱衝撃による脆性破壊*)・・・セラミックスの特徴（←「セラミックス材料の問題点」）「セラミックスの熱膨張係数」［：表4．１参照］・・・金属材料に比べ小さい *)熱衝撃:材料における熱の急激な変化（急激な温度変化)に伴う脆性破壊現象表4．１セラミックス材料の熱膨張係数（線膨張係数）線膨張係数線膨張係数 0-1000℃ 0-1000℃ 材　料材料 (cm /cm ℃×104) (cm /cm ℃×104) A l2O 3 安定化ZrO 2 8.8 10.0 B eO 9.0 溶融シリカガラス 0.5 M gO 13.5 ソーダ石灰ガラス 9.0 ムライト 5.3 TiC 7.4 スピネル 7.6 磁器 6.0 ThO 2 9.2 粘土質耐火物 5.5 UO 2 Y 2O 3 10.0 9.3 ジルコン 4.2 TiC サーメット 9.0 B 4C SiC 4.7 4.5 『熱応力の定義』・・・材料内部に温度分布や温度勾配がある時に熱応力を発生 σt＝Ｅ×ΔＴ×α σt：熱応力Ｅ：弾性率(セラミックス：Eは大）：次ページの図（弾性率Eの定義）参照 ΔＴ：材料内部(例えば両表面部）での温度差（セラミックス･･･熱伝導が悪いため、通常ΔTは大） α：熱膨張係数（セラミックス･･･αは小) 熱応力の発生要因・・・①脆くて弾性率の大きい材料［：表４．２参照］ ②急激な熱の出入りがある ③熱伝導率が小さくて熱膨張係数の大きい（通常は小）材料 *)熱応力による脆性破壊［＝熱衝撃］：熱応力が大きくなり、表面での引張り破壊が生じるようになると、亀裂が発生し始め、さらに亀裂が進行して全体の破壊に至る（２）多結晶体固有の異方性に起因した高温焼結後・冷却時に生じる粒界部微小応力やひずみによる脆性の発生セラミックス材料の問題点（３）熱伝導率［：図４．３参照］・・・金属材料に匹敵するセラミックスの開発（ダイヤモンド，ＣＢＮ，ＢｅＯ，ＳｉＣ，ＡｌＮ，ＴｉＣ） ↓ 温度勾配が小さくなるため熱応力も小さくなり耐熱衝撃性が向上セラミックス材料･･･熱応力：σtが大きく、これにより脆性破壊を生じやすい（≡“熱衝撃”）（αは小さいが、Eと⊿Tが非常に大きく、σtは大となる） σt  E (弾性率） ⊿T(材料内部の温度差 ) α(熱膨張係数 ) セラミックスダイヤモンド1.21×1012 <111> A l2O 3 4.6×1011 <0001> M gO 2.45×1011 <100> N aC l 4.4×1011 <100> Si3N 4(poly) 3.72×1011 SiC (poly) 5.6×1011 W Sn Cu Zn Ag Al 金　属 3.6×1011 5.5×1010 1.25×1011 3.5×1010 8.1×1010 7.2×1010 有機高分子ポリエチレン 0.12～1.05×109 PM M A 2.5～3.5×109 6.6ナイロン 3.2×109 ポリスチレン 2.2～2.8×109 6ナイロン 2.84×109 ポリプロピレン 1.4×109 表４．２セラミックスの弾性率（Ｎｍ-2）図４．３各種材料の熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）機械的特性 ◎基礎概念［：図４．４，図４．５参照］ σ＝Ｐ／Ａ（σ：応力，Ｐ：引張り荷重，Ａ：試料の断面積） εz＝Δｌ／ｌ0（εz：ひずみ，Δｌ：荷重Ｐを加えた時の伸び，ｌ0：最初の長さ） σ＝Ｅεz（Ｅ：弾性係数＝弾性率＝ヤング率）図４．４材料の変形：引張り（ａ），せん断（ｂ），体積圧縮（ｃ）図４．５応力－ひずみ曲線（：室温） (ａ）金属材料の場合，（ｂ）セラミックスの場合 [重要]：金属材料とセラミックス材料の破壊機構 (:「応力-ひずみ曲線」)の違いセラミックス・・・［常温域］：弾性限界を超えると亀裂発生・成長→破壊［高温域］：結晶粒界の軟化→粒界すべりに伴う延性の発現 ※セラミックス材料の製造時に生じた微小亀裂，気孔，介在物または表面の粒界溝に応力集中が加わって、亀裂が発生，成長 ↓ 亀裂の進行に対する抵抗性＝「破壊靭性」・・・一方向引張り応力の場合：臨界応力拡大係数（Ｋ1C）［：表４．３参照］：金属比べ、著しく小さい（Ｋ1Cが大きければ、亀裂が進行しにくく、破壊に至る時間が長い） ↓ Ａｌ2Ｏ3，ＳｉＣ，Ｓｉ3Ｎ4，ＺｒＯ2 ・・・セラミックスのなかではＫ1Cが比較的大きいため、セラミックスエンジン，高温用機械材料への開発が進展表４．３各種セラミックス材料と合金鋼のＫ1C（Ｍ・Ｎ・ｍ-3/2又はM・Pa・m1/2） A l2O 3 A l2O 3-16%ZrO TiO 2 安定化ZrO 2 ZrO 2-2%Y 2O 2 ZrO 2-4%Y 2O 3 ZrO 2-10%C aO ZrO 2-8%M gO 磁器シリカガラス TiB 2 3～7 7～17 3 3 6～12 10～20 8～10 6～12 1.3 3 5～6 B 4C SiC A lN Si3N 4 サイアロン W C -C o 軟鋼炭素鋼高張力鋼マルエージング鋼 1～4 2～5 3 4～7 7 6～7 100～150 235 35 93 気孔率と強度の関係［：図４．６参照］・・・試験温度に依存せず極端な強度の低下［対策］：①気孔の発生がない完全焼結 ②結晶粒の微細化（結晶粒界に存在する微小亀裂や微小残留応力の起源・・・結晶粒の熱膨張・収縮の異方性に起因） ③結晶粒の規則配列(整合化) を促進 ↓ 「セラミックスの機械的性質」・・・結晶粒径と気孔率に大きく依存する図４．６アルミナセラミックス曲げ強さと気孔率の関係