セラミックス第5回目 5月 20日（水）担当教員：永山勝久共有結合の特徴：特定の原子・原子間での強い結合力であるため、方向によって結合力は異なる(・・・異方性が大きい結合力) 共有結合＞イオン結合，金属結合 [共有結合性結晶の特徴] ： ①融点が高い ②硬度が大きい ③高強度 ④原子間結合に異方性があるため，特定面で割れる ⑤拡散係数が小さい (物質中の原子移動が困難) [代表的な共有結合性物質] ・・・ Ⅳ族元素： C，Si，Ge，Sn 原子配列：ダイヤモンド構造 [ : 図4 参照 ] ・・・一つの原子の周囲に4つの原子が存在し，正四面体を形成中心の原子と四面体頂点の各原子が互いに4個の外核電子を出し合って，かつスピンが逆向きの電子対を形成 = 『sp3混成軌道』 [ : 図5 参照 ] 配位数図4 ダイヤモンド構造 sp 2 sp2 3 sp3 4 sp3d 5 sp3d2 6 sp3d3 7 図5 sp3混成軌道 (配位数と幾何学的な原子結合形状) 半導体物質 ← (共有結合性物質の代表) ◎半導体の推移・最初のトランジスタ ; Ge (Ⅳ族元素) ： Ge4+ 共有結合性結晶・現在の半導体 ; Si (Ⅳ族元素) ： Si4+ ・今後の半導体 ; GaAs，InP (化合物) (Ⅲ‐Ⅴ族化合物) Ga，In ・・・ 3族元素 As，P ・・・ 5族元素平均の原子価： 4価 ⇒ Ge，Siと同様 = GaAs，InP ・・・立方硫化亜鉛構造＜4面体構造を4つ有する＞ (四面体構造を構成要素にもつ，立方晶型結晶) (InSb) ダイヤモンド結晶に類似共有結合性結晶四面体構造が構成要素 “4配位構造” 図6 立方硫化亜鉛構造 ( ：Ⅲ族原子位置，：Ⅴ族原子位置) (・・・Ga，In) (・・・As，P) 『ニューセラミックスの概要』ニュ－セラミックス・・・金属，プラスチックスに次ぐ第３の工業素材歴史的背景：伝統的セラミックスからニュ－セラミックスへの変革［：図１．１参照］ ①伝統的セラミックス・・・『セラミックスの石器時代』：石器（地球が作った天然のセラミックス）→土器（火の発見（～800万年前)に起因して人間が人工的に作った最初のセラミックス） →陶磁器（窯業製品、珪酸塩工業製品） ②ニュ－セラミックス（ファインセラミックス）・・・『ニュ－石器時代(現代社会)』 ①と②の決定的相異点［：表１．１参照］伝統的セラミックス・・・天然原料，ニュ－セラミックス・・・人工原料 ↓ 『ニュ－セラミックスの概念的定義』：精製，精密に調整された化学組成かつ微細均一粒子からなる人工原料を使って、高度に制御された成形法及び焼結法による焼成品 ∥ 新しい機能を有する材料（構造的特性，機能的特性）に発展表1.1 ニュ－セラミックスとオールドセラミックスの比較石　器原　料熱処理 (焼成）加　工 (製品化）伝統的ニューセラミックスセラミックス天然天然人工天然人工人工天然人工人工図1.1 伝統的セラミックスからニュ－セラミックスへの変革『セラミックス』の学術的定義・・・『非金属無機固体材料』［：表１．２参照］元素の分類：（１）金属性元素（ｅｘ．Ａｌ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｐｂなど）（２）半金属性元素（ｅｘ．Ｂ，Ｃ，Ｓｉなど）（３）非金属性元素（ｅｘ．Ｏ，Ｎ，Ｆ，Ｓ，Ｃｌなど）非金属無機固体材料の定義(分類) ：①半金属性元素により構成される物質（ｅｘ．ダイヤモンド，カ－ボン繊維,半導体Si,C60,ナノチューブなど） ②半金属性元素と金属元素及び半金属元素と非金属性元素間の化合物（ｅｘ．炭化ケイ素ＳｉＣ，窒化ケイ素Ｓｉ3Ｎ4, 窒化アルミAlN,炭化チタンTiCなど） ③金属性元素と非金属性元素間の化合物［：表１．３参照］（ｅｘ．アルミナＡｌ2Ｏ3，ジルコニアＺｒＯ2, シリカSiO2,チタニアTiO2など）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