4.イオン結合と共有結合 セラミックスの結合様式 [定義] （１）イオン結合・・・ 陰イオンと陽イオン間での静電気力（ク－ロン力），すなわち 正と負の電荷が電気的引力によって生じる結合様式 （２）共有結合 ・・・ 隣接原子が互いに電子を出し合って安定スピン結 合状態を形成し、それを共有することによって生じ る結合様式［：配位結合（隣接原子間での最外核電 子の交換結合･･･半導体Siの結合様式］ イオン結合性結晶・・・酸化物系セラミックス 共有結合性結晶 ・・・非酸化物系セラミックス (半金属-非金属：Si3N4、SiC、BN 金属-非金属：AlN、TiC、TiB2など） 共有結合力＞イオン結合力 ∴共有結合性結晶は焼結性が困難（粒同士の反応性に欠ける）で、通焼結性向上を 目的として焼結助剤を添加したり、あるいは高圧力下での焼結法（ホットプレス法など) が行われている 『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』 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半金属製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 日本 ニュ－セラミックス （新しいセラミックス） ファインセラミックス （微細緻密・精密なセラミックス） アメリカ Ｈｉｇｈ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｅｒａｍｉｃｓ （高い技術を有するセラミックス） Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃｓ （先端技術のセラミックス） ↓ 高度な技術を取入れた先端素材・応用産業 ［：図１．２，表１．４参照］ ∴ニュ－セラミックス製品 ・・・知識集約的製品（高付加価値，省エネルギ－的製品） ［：図１．３参照］ 図１．２ 我が国のニュ－セラミックス の用途別市場規模 図１．３ ニュ－セラミックスの応用製品例 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
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