材料工学科2年生セラミックス

セラミックス
第4回目
5月 7日（水）
担当教員：永山勝久
材料の性質を規定する化学結合
[ 物性を規定する基礎的因子 ]
① 金属結合
化学結合
② イオン結合
セラミックスの結合様式
(4つの形式) ③ 共有結合
④ ファンデル・ワールス結合 ( 気体分子間結合 )
表1 化学結合の種類と主な特徴
融点
電気伝導性
透明度
水溶性
イオン結合
高い
比較的良い
透明
可溶
共有結合
高い
悪い
普通は透明
難溶
金属結合
比較的高い
極めて良い
不透明
普通は不溶
分子結合
低い
悪い
透明
―
金属光沢
◎化学結合＝材料の性質(物性)を支配
材料
(1)金属
現象論的特徴
①金属光沢を示す，②電気,熱の良導体
③塑性加工が可能(展延性に富む)
(2)無機
①絶縁性に富む，②断熱性が大
(セラミックス)
③塑性加工が困難(脆性)
(3)高分子
①絶縁性，断熱性が大
(繊維，プラスチック)
②加工が容易
[金属結合]
[イオン結合，共有結合]
[共有結合，分子間結合]
(1) 金属結合
＜・・・金属の特徴の起源＞
[定義] ; 原子の最外殻の価電子が原子核 ( 陽子＝正電荷 ) の拘束を
離れ [ ・・・『金属原子の自由電子放出に伴う陽イオン化』 ]，
自由電子として，結晶全体の金属陽イオン ( 原子 ) に共有され
て，これを媒介として原子どうしを結合する化学結合様式
① 自由電子・・・熱や電気の伝導媒体
金属は熱や電気の良導体
＝
『金属の特徴』
② 自由電子・・・光により励起 [ 光 (=電磁波) エネルギーにより遷移 ]
自由電子に依存
金属特有の光沢 ( 金属光沢 )
金属結晶
の概念図
③ 自由電子・・・金属陽イオン間における結合に自由度を寄与
＜結合の手が無数存在するために破壊は生じにくい＞
＋＋＋＋
＋＋＋＋
＋＋＋＋
金属陽イオン
金属の塑性変形 ( 展延特性 )
自由電子
(単一元素)
(2) 無機材料 [半金属(B,Si,C・・・)，酸化物，窒化物，ホウ化物，塩化物]
の結合形式
“セラミックス”
2つの
結合形式
[ 定義 ]
◎ 「イオン結合」 → 陽(＋)イオンと陰(－)イオン間の電気的引力に起因
(静電引力 = クーロン力)
代表例)：NaCl = Na+-Clする化学結合様式
◎ 「共有結合」
11Na：1s22s22p63s1 e※
[Ne]
17Cl：1s22s22p63s1 3p5
[Ar]
○ イオン間に働く力
1) 陽イオン－陰イオン ; 引力
◎3つのクーロン力・・・ 2) 陽イオン－陽イオン ; 斥力 ( 反発力 )
3) 陰イオン－陰イオン ; 斥力 ( 反発力 )
同種イオン間
イオン性結晶・・・全体として引力が斥力よりも大きくなる
( 図1，図2参照 )
； +，-イオン間のクーロン引力
結晶を構成
( 静電引力 ) により，結晶を形成する
( 引力＝斥力 )
イオン間距離が極端に近くな
ると，両原子 (両イオン) が
有する電子と原子核の陽電
荷間におけるクーロン引力が
増大し，ポテンシャルエネル
ギーは急激に増大する
ポテンシャルエネルギー kcal/mol
(核外電子全て)
引力≧斥力
100
NaCl結晶のイオン間距離
Clの電子
親和力
最適距離
0
2
4
-100
-e2/r
6
8
10 12
∞
( イオン間距離 )
結合力＝引力
弱い
e2
クーロン引力： F   2
r
e : 電荷
r : イオン間距離
ポテンシャルエネルギー r
e2
：  F  

(両イオン間の
距離が遠い)
-200
Naのイオン化
ポテンシャル
0
r
図1 Na+とCl-とのクーロン引力によるポテンシャルエネルギー
斥力 (同種イオン間のポテンシャルエネルギー)
・最も安定な位置
= イオン間距離
陽イオン，陰イオンの電子雲が重なり合う
r
(：イオン間距離)
合成ポテンシャルエネルギーの
極小値
陽イオン，陰イオンが離れている
引力
=
ポテンシャルエネルギー
引力と斥力の
合成
ポテンシャル
エネルギー
・斥力+引力の最小値＝ “イオン間距離”
陽イオン，陰イオンがひっついている
図2 イオン間距離と引力，斥力の関係
(引力と斥力の平衡関係)
・・・引力と斥力の最適距離
(安定)
イオン結合の特徴(：熱伝導機構)
(高熱伝導性セラミックスと非熱伝導性セラミックス)
◎イオン結合性結晶 (セラミックス) の熱伝導機構
自由電子が
熱の伝導体
熱伝導媒体・・・『フォノン(phonon)』
○結晶中で規則配列する原子を “格子” と考え，格子位置での
原子の振動エネルギーを「フォノン」と定義
( フォノン・・・ “格子の振動” をエネルギーを持った粒子と仮定)
=
cf. 金属材料
(振動子)
『量子』
熱伝導機構・・・「アインシュタイン・モデル(バネ・モデル)」
(図参照)
① 物体を端面 (片側) 加熱
② 加熱面での原子振動の増大 (軽元素ほど大きい)
③ 隣接正負イオン間でのイオン結合を介して，格子振動が
伝播 (フォノンの伝播) ・・・“格子振動による伝播”
◎ 軽元素ほど格子振動は大きく、その伝播は容易
熱伝導率； Al2O3 (約20W/m・k，Al原子量 : 27 )
ZrO2 (約 4W/m・k，Zr原子量 : 91 )
5分の１
アインシュタイン・モデル
バネ
端面
バネ
(a)
(b)
加
熱
加
熱
軽元素・・・格子振動は大
熱伝導は容易
端面
重元素・・・格子振動は小
＜熱伝導率：小＞
図3 熱伝導のモデル (アインシュタイン・モデル) ：結晶の左端から右端への
加熱に伴う格子振動に伴う熱伝導現象の説明
(a) 軽元素 (振動大，高熱伝導性) ， (b) 重元素 (振動小)

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