セラミックス第1１，12回７月9日(水）セラミックスの物性③ 電気・電子・磁気的特性（１）サ－ミスタ（ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒ）*)［：図４．７参照］特性 [定義]：温度により材料の電気抵抗値が変化する性質（温度調整、測定用の温度センサー用素子） ①ＣＴＲサ－ミスタ（critical temperature controler）：臨界温度サ－ミスタ ②ＮＴＣサ－ミスタ（negative temperature controler） ③ＰTCサ－ミスタ（positive temperature control thermistor） *)ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒ（：thermally sensitive resistor）抵抗の特異な温度依存性を利用して、材料の電気抵抗を測定することによって温度を検出するセンサー素子図４．７３種類の代表的サ－ミスタの電気抵抗の温度依存性 ①ＣＴＲサ－ミスタ：結晶の構造変化が生じる相転移点で抵抗が急激に低下する材料Ｖ2Ｏ5：８０℃以下（単斜晶系）では抵抗が負の温度係数を持った半導体８０℃以上（ルチル構造：正方晶系）では電気伝導度が２ケタ以上増加（抵抗が急激に減少）し、金属的挙動［温度の増加につれ抵抗は増加する・・・抵抗：正の温度係数］を示す応用：温度スイッチなどの各種センサ材料 ②ＮＴＣサ－ミスタ：抵抗が温度上昇に伴って単調（指数関数的）に減少する材料（ＣＴＲサ－ミスタとは異なり、相転移には無関係）不純物注入型遷移金属酸化物（Ｆｅ2Ｏ3－Ｔｉ系，ＮｉＯ－Ｌｉ系），ＺｒＯ2－Ｙ2Ｏ3系，ＳｉＣなど応用：ダイオ－ド，ヒュ－ズ，各種温度スイッチ類など ③ＰTCサ－ミスタ：相転移点で抵抗が急激に上昇する材料（ＮＴＣサ－ミスタとは異なって、抵抗は温度上昇に伴って増加し、かつＣＴＲサ－ミスタ同様，結晶の相変化に起因する）・・・正方晶－立方晶変態に伴う抵抗変化応用：電圧異常と回路の短絡保護材料・・・大電流が流れると、サ－ミスタの温度が上昇し，抵抗値が増加し電流量を低下させるサーミスタ(Thermistor, Thermally sensitive resistor)の種類 (1)NTCサーミスタ（Negative Temperature Coefficient) :温度が上昇すると抵抗値が連続的に減少する (2)PTCサーミスタ（Positive Temperature Coefficient) :温度が上昇すると特定の温度以上で抵抗値が急激に増加するサーミスタ (3)CTRサーミスタ（Critical Temperature Thermistor) :温度が上昇すると抵抗値が急激に減少する ※NTCサーミスタ（温度制御用センター素子として多用)の温度と抵抗値の関係式 1 1 B(  ) T T0 R  R0 exp R:温度Tにおける抵抗値 T:温度(K) R0:基準温度T0における抵抗値 T0:基準温度(K) (一般に25℃(=298K)を使用） B:定数 [身近な用途] 電子体温計、冷蔵庫、冷凍庫、エアコンの制御用温度センサー（その他：OA機器、カーエアコン、自動車エンジン用温度計(センサー）（２）バリスタ（ｖａｒｉａｂｌｅｒｅｓｉｓｔｅｒ）特性：電流－電圧特性が非直線的なセラミックス半導体材料 ※V=IRに従わない（電圧が増加すると抵抗が急減し、非オ－ム則を示す材料）［：図４．８，図４．９参照］・・・低電圧ではバリスタは温度依存性が小さいが、ある臨界降伏電圧ＶBで突然抵抗値が消失し電流が急激に増加する図４．８ＺｎＯバリスタの典型的なＩ－Ｖ特性（電流はＶBで急速に増加）図４．９ＺｎＯとＳｉＣのバリスタ特性用途：①整流器で発生する異常電圧から、回路素子を保護 ②落雷，高電圧の流入による電気回路の破壊防止用（３）誘電体特性［：図４．１０参照］：絶縁体と同等な挙動をとるが、電界を印加した場合に定常電流は流れないが、電荷を蓄積できる特性を有する材料［：図４．１１，図４．１２参照］ ①常誘電体：誘電率の低い物質［：ＢａＴｉＯ3の高温相（立方晶型）］ ②強誘電体：外部電界によって双極子モ－メントが整列することによって自発分極が発生し、かつ自発分極の方向が変化できる物質［：ＢａＴｉＯ3の低温相（正方晶型）］ ③反強誘電体：自発的な双極子の配列が結晶内で平行になるよりも、反平行になる方が安定な物質［：ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ3）］図４．１０電界を印加した時の誘電体の分極モデル図４．１１ＢａＴｉＯ3の結晶構造図４．１２ＢａＴｉＯ3の誘電率の温度依存性（εa：ａ軸方向の誘電率， εc：ｃ軸方向の誘電率）補足：ＢａＴｉＯ3，ＳｒＴｉＯ3セラミックス高誘電率材料，強誘電体材料の代表・・・小型大容量のセラミックスコンデンサの開発［：図１，図２，表１参照］図１ＢａＴｉＯ3，ＳｒＴｉＯ3セラミックス材料の応用分野図２ＢａＴｉＯ3セラミックスの比誘電率ε／ε0と誘電損失ｔａｎδ の温度特性・・・コンデンサの静電容量Ｃ：Ｃ＝εs／ε0・Ａ／ｔ［Ｆ］ εs：比誘電率（εs＝ε／ε0，ε：誘電率） ε0：真空中の誘電率（8.854×10-12［Ｆ／ｍ］）Ａ：電極面積［ｍ2］，ｔ：セラミックス素子の厚さ［ｍ］比誘電率が大きいほど、同一形状での大容量のコンデンサとなる（→同一容量のコンデンサを小型化できる）表１アルミナ，ジルコニア，チタニア（ＴｉＯ2）とＢａＴｉＯ3，ＳｒＴｉＯ3セラミックスの結晶構造（４）ＰＺＴセラミックスＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3セラミックス［：図４．１３参照］・・・圧電性セラミックスの代表的材料基本機能（・・・電気－機械変換素子）［：図４．１４，表４．４参照］：①圧力→電気 ②電気→振動・変位 ③電気→振動→電気図４．１３Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3セラミックス［：ＰＺＴ］の応用例図４．１４圧電セラミックスの３種類の基本的機能表４．４ＰＺＴとＢａＴｉＯ3セラミックスの圧電特性の比較 B aTiO 3 材　質 P ZT P ZT 材　料　名 M T-107* 67 71 2000 M T-18* 55 65 1400 1900 -213 -104 -79 450 300 191 g31 -12.7 -8.4 -4.7 g33 25 24 11.4 ヤング率 Y 11E 6.3 8.1 9.3 [1010N /m 2] 機械的品質係数キュリー点密　度 Y 33E 電気機械結合係数圧電定数 k p[%] k t[%] 比誘電率　ε33T/ε0 d31 -12 [10 m /V ] d33 -3 [10 V m /N ] Qm [℃] [g/cm 3] 主　な　特　徴主　な　用　途 35.4 4.7 6.3 9.2 100 1000 430 354 300 120 7.7 7.6 5.7 高い圧電特性高い圧電特性低いQ m 高いQ m ソフトな材料ハードな材料ガス点火器超音波振動子魚探用振動子（５）磁性体セラミックスフェライト，酸化鉄セラミックス［：図４．１５，表４．５参照］軟磁性材料(ソフト）（ex.磁気ヘッド材料) 半硬磁性材料（セミハード） (ex.磁気記録材料）硬磁性材料(ハード) (ex.永久磁石) 図４．１５磁性体セラミックス（フェライト，酸化鉄セラミックス）の用途表４．５代表的な鉄酸化物系化合物物　質結晶系系　性色相 α-Fe2O 3 γ-Fe2O 3 α-FeO O H (α-Fe2O 3・ H 2O ) Fe3O 4 M nFe2O 4 C oFe2O 4 N iFe2O 4 ZnFe2O 4 六方晶立方晶直方晶非磁性強磁性非磁性赤褐色茶　色黄　色 X線密度 [g/cm 3] 5.29 5.07 4.28 立方晶立方晶立方晶立方晶立方晶強磁性強磁性強磁性強磁性非磁性黒　色黒　色黒　色黒　色赤褐色 5.24 5.00 5.29 5.38 5.33 六方晶六方晶強磁性強磁性黒　色黒　色 5.28 5.15 特性良好 (永久磁石) B aFe12O 19 SrFe12O 19 BaO・6Fe2O3 SrO・6Fe2O3 鉱物名備　考 H eam atite M aghem ite G oethite 赤鉄鉱，ベンガラガンマ針鉄鉱，黄鉄 M agnetite (Jacobisite) 磁鉄鉱，鉄黒マンガンフェライトコバルトフェライトニッケルフェライト亜鉛フェライト，タン (顔料）バリウムフェライトストロンチウムフェライト (Trevorite) (Flanklinite) フェライトの一般式：M・Fe2O4・・・M：2価の金属イオン（M=Mn,Ni,Zn,Ba,Sr,・・・） **酸化鉄、（磁性体酸化鉄）・・・Fe3O4:マグネタイト「主な用途」： ①ビデオテープ用磁性体磁気記録用磁性体粉末 ②音声録音（カセットテープ）用磁性体 ③モータ回転用マグネット(ex.PC用ハードディスクドライブモーター) ④スピーカー用マグネット現在：CD,MO,MD(光磁気記録用メディア材料） (フロッピーディスク・・・）