セラミックス第７回目６月１日（火）担当教員：永山勝久表１．２金属，プラスチックス，セラミックスの比較呼　称金　属材　料原子間結合金　属金属結合共有結合非金属・有プラスチックファンデルワールス結機物合イオン結合非金属・無セラミックス機物・固体共有結合表１．３金属とセラミックスの物性比較例物性材料アルミニウム Al アルミナセラミックス A l2O 3 金属融点 [℃] 電気比抵抗モース硬度 [Ωcm ] 660 2.8×10-8 3以下 2,030 1014以上 9 日本ニュ－セラミックス（新しいセラミックス）ファインセラミックス（微細緻密・精密なセラミックス）アメリカＨｉｇｈＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｅｒａｍｉｃｓ（高い技術を有するセラミックス）ＡｄｖａｎｃｅｄＣｅｒａｍｉｃｓ（先端技術のセラミックス） ↓ 高度な技術を取入れた先端素材・応用産業［：図１．２，表１．４参照］ ∴ニュ－セラミックス製品・・・知識集約的製品（高付加価値，省エネルギ－的製品）［：図１．３参照］図１．２我が国のニュ－セラミックスの用途別市場規模表１．４ニュ－セラミックスの機能・材料・応用製品機能大分類熱的機能機械的性質生物・化学的機能電気・電子的機能光学的機能原子力関連機能機能酸化物セラミックス非酸化物セラミックス応用製品例 A l2O 3 SiC ,Si3N 4 耐熱性耐熱構造材 ZrO 2,SiO 2 断熱性 C 各種断熱材伝熱性 B eO SiC (+ B eO ) 基板 A l O 硬質・耐磨性 SiC メカニカル・シール・リング 2 3 A l2O 3 切削性 TiC ,TiN 切削工具 B 4C ,ダイヤモンド研磨性 ― 砥石，研磨材 A l2O 3，アパタイト生体適合性 ― 人工骨坦体性コーディライト ― 触媒担体 A l2O 3 B N ,TiB 2,Si3N 4 耐食性耐食部品 A l2O 3 絶縁性 SiC (+ B eO ) IC 基板，パッケージ ZrO 2 SiC ,M oSi2 導電性抵抗発熱体 ZrO 2,B aTiO 3 誘電性 ― コンデンサイオン伝導性 ZrO 2,β-A l2O 3 ― 酸素センサ，電池 SnO 2,ZnO -B i2O 3 半導性 SIC ガス・センサ，バリスタ圧電性 P ZT,ZnO ― 着火素子，発振子 (Zn, M n)Fe O 磁性 ― 磁心，記憶素子 2 4 Y 2O 3 蛍光性 ― 蛍光体 A l2O 3 透光性 ― N aランプ偏光性 P LZT ― 偏光素子 SiO 2 導光性 ― 光ファイバ UO 2 原子炉材 UC 核燃料減速材 B eO C 減速材 B 4C 制御材 ― 制御材図１．３ニュ－セラミックスの応用製品例セラミックスの種類と用途（－代表的なセラミックス材料－）セラミックス材料の大分類：（１）酸化物系セラミックス（２）非酸化物系セラミックス 1．酸化物系セラミックス代表的な材料（金属酸化物を原料としたもの）：Ａｌ2Ｏ3（アルミナ），ＺｒＯ2（ジルコニア），ＭｇＯ（マグネシア），ＢｅＯ（ベリリア），ＴｈＯ2（トリア），ＵＯ2（ウラニア）・・・核燃料アルミナAl2O3 ①Ａｌの酸化物を精製・調整し焼結したもの ②電気絶縁性，耐熱性，耐食性に優れる ③電子材料の基板として多用される（ＩＣ基板、ICパッケージ） ④耐摩耗性を利用した軸受け，シャフト ⑤化学的安定性，生体組織適合性を利用した人工骨，人工歯，人工関節などの生体材料 ⑥軽量性とダイヤモンドに次ぐ高硬度 ⑦成形・加工の容易さ（マシナブル・セラミックス）図アルミナ製品ジルコニアＺｒＯ2 Mg,Ca,希土類金属等活性金属 ①耐熱性と耐食性に優れる（→溶融金属，ガスなどに反応しない） ②純物質状態では高温での結晶変態に伴う破壊を誘発するため、安定化剤（酸化カルシウム）を添加して焼結し、安定化ジルコニアとして高温発熱体等に利用（→酸素イオン伝導体→固体電解質：「燃料電池」） ③キュービックジルコニアCZは光の屈折率が2.17と天然ダイヤモンドの2.47に近いためダイヤモンドの代用品として用いられている図ジルコニア耐熱材料図 Cubic ZrO2 他の代表的な酸化物系セラミックス耐高温、高強度 (a) マグネシアMgO ジェット機用窓ガラス ①透過性セラミックスの代表的材料（→高圧ナトリウム灯用発光管に利用） ②熱膨張率が大きく、Ｐｔ，Ｎｉや希土類金属用の溶融用ルツボとして多用 (b) ベリリアBeO ：熱伝導率に優れかつ絶縁性が良好であるためＩＣ回路の放熱板に利用（ただし金属Beとともに毒性がある） (c) チタニアＴｉＯ2 （cf.修正液、修正テープ、白色塗料) ：硬度，引張り強さが顕著に大きい (ｄ) チタン酸バリウムＢａＴｉＯ3 ：チタニア（ＴｉＯ2）を炭酸バリウムと反応させて焼結したもので、誘電率*)が大きく、コンデンサ材料の代表的材料として多用電磁気学の基礎 *)誘電体・・・電圧を付加した時には定常電流は流れないが、電荷を蓄積することのできる材料［：コンデンサ］誘電率：ε（比例定数）・・・Ｄ＝εＥ電束密度：Ｄ（・・・誘電体により形成されたコンデンサの単位面積当りに蓄積される電荷量）電界：Ｅ［Ｖ／ｍ］図セラミックコンデンサ（･･･電子製品、IT産業に不可欠） 2. 非酸化物系セラミックス代表的な材料（人工的に合成した新しい無機物を原料をとしたもの）：Ｓｉ3Ｎ4（窒化ケイ素），ＳｉＣ（炭化ケイ素），ＢＮ（窒化ホウ素），ＺｒＣ（炭化ジルコニウム），Ｃ（ダイヤモンド），炭素繊維･･･フラーレンC60 カーボンナノチューブ代表的な特性：共有結合が支配的であるため、高温強度・脆性に優れる物質中最も強い化学結合セラミックス最大の弱点 (a) 窒化ケイ素Ｓｉ3Ｎ4 高温での変形が金属とは異なり小さい金属と同等 ①熱膨張率が小さく、かつ熱伝導率が大きいため、熱衝撃に強い ②高温強度は１４７３Ｋで約７００ＭＰａ以上を示すため、各種耐熱材料以外に高温用機械部品材としの応用が期待（：切削工具，ガスタ－ビンの回転軸など・・・ｃｆ．Ｎｉタ－ビン用基耐熱合金：１３６６Ｋ－３００ＭＰａ（ジェット機のタービンブレード・・・金属の2倍以上）の代表材料）セラミックス高温高強度材料の代表的物質「セラミックスエンジン材料」 (b) 炭化ケイ素ＳｉＣ ①伝熱性に優れるため、高性能ＩＣ基板に利用 ②硬度が大きい ③Ｓｉ3Ｎ4同様耐熱材料として期待 ④抵抗発熱体（通電により材料自体が高抵抗に起因して発熱し高温になるもの）→セラミックスファンヒーター溶解用ヒーター ⑤焼結性が悪い (c) 窒化ホウ素BN ①六方晶，立方晶の２つの結晶構造を有する ②実用型としてcBN（Cubic Boron Nitride）が多用される・・・ダイヤモンドに次ぐ硬度を有する高温下において切削工具材料として期待 →セラミックス機械構造用材料 ③cBNの製造法・・・h（Hexagonal）BNを２２７３Ｋ－５０００気圧の高温・高圧下で焼結＊h-BN・・・半導体SiへのB添加（拡散）材料活性金属溶融用ルツボ