セラミックス第10回６月25日(水）セラミックスの物性② 補足：１．アルミナセラミックス・・・酸化物セラミックスの代表特徴：セラミックスの中で最も使用量が多く、かつ古い歴史をもつ代表的材料（・・・１９３０年，ドイツ・ジ－メンス社による自動車用スパ－クプラグの絶縁体が最初の実用材料）主要機能特性［：図１，図２，表１，図３参照］：①電気・電子的機能，②機械的機能，③熱的機能， ④生物・化学的機能, ⑤光学的機能図１アルミナセラミックスの特性と用途図２アルミナセラミックスの高温強度図３アルミナセラミックスの絶縁特性高純度かつ微粒が最良表１アルミナセラミックスの構造特性アルミナ含有量性質見掛け比重曲げ強度 [kg/m m 2] 破壊靭性 [kg/m m 3/2] 衝撃強度 [kg] 硬　度（ロックウェル15N ) 耐アルカリ性 [m g/cm 2] 耐酸性 [m g/cm 2] 耐摩耗性 [cm 3] 3.75 99% (粗粒） 3.94 99% （微粒） 3.93 37 40 40 52 17 19 21 ― 26 1.3 2.2 1.7 ― 2.9 94.6 95.5 95.7 96.1 96.9 ― 0.42 0.3 0 0.09 ― 0.29 0.28 0.02 0.5 0.33 0.31 0.19 0.53 0.16 85% 92% 95% 3.6 3.65 33 応用例：①電気・電子的機能・・・電気絶縁性（ｅｘ．スパ－クプラグ，ＩＣ基板，ＩＣパッケ-ジ）［：図４，図５参照］ ②熱的・機械的機能・・・高温高強度特性，耐摩耗性（ｅｘ．切削用工具，エンジン用材料） ③透光性機能・・・単結晶Ａｌ2Ｏ3（サファイヤ）：高圧Ｎａランプの発光管，高温用赤外線検知用窓材単結晶Ａｌ2ｰxＣｒxＯ3（ｘ＝０．０００６７，ルビ－）：固体レーザー発振素子 ④生物・化学的機能・・・生体用材料（耐食性，機械特性，生体適合性良好）図４スパ－クプラグの構造図５アルミナ製ＩＣ基板とＩＣパッケージ２．ジルコニアセラミックスＺｒＯ2：１１００℃で結晶変態（低温：単斜晶→高温：正方晶） ↓ 数％の容積変化の発生（亀裂発生に伴う自己破壊の誘発） ↓ ∴安定化剤の添加（ＣａＯ，ＭｇＯ，Ｙ2Ｏ3を数％～数十％添加）・・・室温で立方晶を呈し、高温での結晶変化がない『安定化ジルコニア（Stabilized Zirconia）』・・・Ｚｒ4+とＣａ2+，Ｍｇ2+，Ｙ3+の置換によって結晶格子中に酸素イオンが不足し、酸素イオンの伝導体（＝『固体電解質』）として応用→各種酸素センサ素子［：図６，図７，図８，図９参照］ ↓ 『部分安定化ジルコニア（ＰＳＺ：Partially Stabilized Zirconia）』・・・正方晶ＺｒＯ2（高温安定相），あるいは正方晶ＺｒＯ2＋立方晶ＺｒＯ2（安定化ＺｒＯ2）の混在構造：強靱，高強度セラミックス材料［機構］：ＰＳＺセラミックスに外力が加えられた場合、正方晶構造が単斜晶構造に相転移して、外力を相転移の駆動エネルギ－として吸収する PSZ ∴『結晶転移による強化機構』：高温・高強度・・・ＴＴＺ（Transformation Toughened Zirconia）構造材料特徴：①高強度，高靭性［：図１０参照］ ②熱伝導率は小さく（断熱性良好）、熱膨張係数は金属に近い［：図１１参照］ Y3+：結合手が3つ O2-のホールを介したイオン伝導 (･･･結晶中を移動） Zr4+：結合手が4つ O2-：〃が2つ図６Ｙ2Ｏ3添加によるＺｒＯ2の安定化（単斜晶から立方晶型への相転移）図７安定化ＺｒＯ2固体電解質を用いた図８自動車用排気ガス用酸素センサの酸素濃度と起電力の関係酸素センサ素子の構造Ｅ＝５５．７ｌｏｇ10ＰR／ＰM （Ｅ：起電力，ＰR：大気中の酸素濃度，ＰM：被測定ガスの酸素濃度） E(O2-のイオン伝導によって生じた起電力) = 55.7log10 PR(大気中のO2量) PM(測定ガス中のO2量) 図９ＺｒＯ2セラミックス用途図１０部分安定化ＺｒＯ2（ＰＳＺ）の強度と破壊靭性図１１部分安定化ＺｒＯ2（ＰＳＺ）の熱伝導率と熱膨張係数