セラミックス - 学術情報センター

セラミックス
第９回６月１５日(火）
セラミックスの物性①
担当教員永山勝久
セラミックスの物性
ーセラミックスの材料物性ー
機能大分類：
①
②
③
④
⑤
⑥
熱的機能
機械的機能
生物・化学的機能
電気・電子的機能（含磁気材料関連）
光学的機能
原子力関連機能
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
熱的性質
◎セラミックス材料特有の熱的問題点
（１）熱衝撃による脆性破壊現象*)
・・・セラミックスの一般的特徴（←「セラミックス材料の問題点」）
「セラミックスの熱膨張係数」［：表4．１参照］
・・・金属材料に比べ温度変化に伴う変形能が小さい
*)熱衝撃:材料における熱の急激な変化（急激な温度変化)に伴う
脆性破壊現象
表4．１セラミックス材料の熱膨張係数（線膨張係数）
線膨張係数
線膨張係数
0-1000℃
0-1000℃
材　料
材料
4
(cm /cm ℃×10 )
(cm /cm ℃×104)
A l2O 3
安定化ZrO 2
8.8
10.0
B eO
9.0
溶融シリカガラス
0.5
M gO
13.5
ソーダ石灰ガラス
9.0
ムライト
5.3
TiC
7.4
スピネル
7.6
磁器
6.0
ThO 2
9.2
粘土質耐火物
5.5
UO 2
Y 2O 3
10.0
9.3
ジルコン
4.2
TiC サーメット
9.0
B 4C
SiC
4.7
4.5
『熱応力の定義』・・・材料内部に温度分布や温度勾配がある時に熱応力が発生
σt＝Ｅ×ΔＴ×α
σt：熱応力
Ｅ：弾性率(セラミックス：Eは大）：次ページの図（弾性率Eの定義）参照
ΔＴ：材料内部(例えば両表面部）での温度差
（セラミックス･･･熱伝導が悪いため、通常ΔTは大）
α：熱膨張係数（セラミックス･･･αは小)
熱応力の発生要因：①脆くて弾性率Ｅの大きい材料［：表４．２参照］
②急激な熱の出入りがある
③熱伝導率が小さくて熱膨張係数αの大きい（通常は小）材料
*)熱応力による脆性破壊［＝熱衝撃］：熱応力が大きくなり、表面での引張り破壊が
生じるようになると、亀裂が発生し始め、さらに亀裂が進行して全体の破壊に至る
（２）多結晶体固有の異方性(結晶粒の配列、整合性等)に起因した高温焼結後
・冷却時に生じる粒界部微小応力やひずみによる脆性の発生
セラミックス材料固有の問題点
（３）熱伝導率［：図４．３参照］
・・・金属材料に匹敵するセラミックスの開発（ダイヤモンド，ＣＢＮ，
ＢｅＯ，ＳｉＣ，ＡｌＮ，ＴｉＣ）
↓
温度勾配が小さくなるため熱応力も小さくなり耐熱衝撃性が向上
セラミックス材料･･･熱応力：σtが大きく、これにより脆性破壊を生じやすい（≡“熱衝撃”）
（通常はαは小さいが、Eと⊿Tが非常に大きく、σtは大となる）
σt  E (弾性率） ⊿T(材料内部の温度差 ) α(熱膨張係数 )
大
大
＜熱衝撃による脆性破壊機構＞
小
表４．２各種材料の弾性率：E（Ｎｍ-2）
セラミックス
ダイヤモンド1.21×1012
<111>
A l2O 3
4.6×1011
<0001>
M gO
2.45×1011
<100>
N aC l
4.4×1011
<100>
Si3N 4(poly) 3.72×1011
SiC (poly)
5.6×1011
図４．３
W
Sn
Cu
Zn
Ag
Al
金　属
3.6×1011
5.5×1010
1.25×1011
3.5×1010
8.1×1010
7.2×1010
有機高分子
ポリエチレン 0.12～1.05×109
PM M A
2.5～3.5×109
6.6ナイロン
3.2×109
ポリスチレン
2.2～2.8×109
6ナイロン
2.84×109
ポリプロピレン
1.4×109
各種材料の熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）
機械的特性
◎基礎概念［：図４．４，図４．５参照］
σ＝Ｐ／Ａ（σ：応力，Ｐ：引張り荷重，Ａ：試料の断面積）
εz＝Δｌ／ｌ0（εz：ひずみ，Δｌ：荷重Ｐを加えた時の伸び，ｌ0：最初の長さ）
σ＝Ｅεz（Ｅ：弾性係数＝弾性率＝ヤング率）
図４．４
材料の変形：引張り（ａ），せん断（ｂ）
，体積圧縮（ｃ）
図４．５応力－ひずみ曲線（：室温）
(ａ）金属材料の場合，（ｂ）セラミックスの場合
[重要]：金属材料とセラミックス材料の破壊機構
(:「応力-ひずみ曲線」)の違い
セラミックス・・・［常温域］：弾性限界を超えると亀裂発生・成長→破壊
［高温域］：結晶粒界の軟化→粒界すべりに伴う延性の発現
※セラミックス材料の製造時に生じた微小亀裂，気孔，介在物または表面の粒界溝
に応力集中が加わって、亀裂が発生，成長
↓
亀裂の進行に対する抵抗性＝「破壊靭性」
・・・一方向引張り応力の場合：臨界応力拡大係数（Ｋ1C）［：表４．３参照］
：金属比べ、著しく小さい
（Ｋ1Cが大きければ、亀裂が進行しにくく、破壊に至る時間が長い）
↓
Ａｌ2Ｏ3，ＳｉＣ，Ｓｉ3Ｎ4，ＺｒＯ2
・・・セラミックスのなかではＫ1Cが比較的大きいため、セラミックス
エンジン，高温用機械材料への開発が進展
表４．３各種セラミックス材料と合金鋼のＫ1C（Ｍ・Ｎ・ｍ-3/2又はM・Pa・m1/2）
A l2O 3
A l2O 3-16%ZrO
TiO 2
安定化ZrO 2
ZrO 2-2%Y 2O 2
ZrO 2-4%Y 2O 3
ZrO 2-10%C aO
ZrO 2-8%M gO
磁器
シリカガラス
TiB 2
3～7
7～17
3
3
6～12
10～20
8～10
6～12
1.3
3
5～6
B 4C
SiC
A lN
Si3N 4
サイアロン
W C -C o
軟鋼
炭素鋼
高張力鋼
マルエージング鋼
1～4
2～5
3
4～7
7
6～7
100～150
235
35
93
気孔率と強度の関係［：図４．６参照］
・・・試験温度に依存せず極端な強度の低下
［対策］：①気孔の発生がない完全焼結
②結晶粒の微細化（結晶粒界に存
在する微小亀裂や微小残留応力
の起源・・・結晶粒の熱膨張・
収縮の異方性に起因）
③結晶粒の規則配列(整合化)
を促進
↓
「セラミックスの機械的性質」
・・・結晶粒径と気孔率に大きく依存する
図４．６アルミナセラミックス
曲げ強さと気孔率の関係
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
表１アルミナセラミックスの構造特性
高純度かつ
微粒が最良
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・・・ex）人工宝石、腕時計用ガラス）
：高圧Ｎａランプの発光管，高温用赤外線検知用窓材料
: 単結晶Ａｌ2ｰxＣｒxＯ3（ｘ＝０．０００６７，ルビ－）
・・・固体レーザー発振素子（ルビー・レーザー）
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、外力を相転移時の
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
ex) 排気ガス中のCOまたはCO2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（K1C）
図１１部分安定化ＺｒＯ2（ＰＳＺ）の熱伝導率と熱膨張係数

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