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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
High Technology Ceramics
(高い技術を有するセラミックス)
Advanced Ceramics
(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