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セラミックス
第1１回目
７月４日(水）
機械的特性
◎基礎概念［：図１８．４，図１８．５参照］
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１８．４
材料の変形：引張り（ａ），せん断（ｂ）
，体積圧縮（ｃ）
図１８．５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１８．３参照］
：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１８．３各種セラミックス材料と合金鋼のＫ1C（ＭＮｍ-3/2）
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１８．６参照］
・・・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１８．６アルミナセラミックス
曲げ強さと気孔率の関係
電気的特性
（１）サ－ミスタ（ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒ）*)［：図１８．７参照］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によって温度を
検出するセンサー素子
図１８．７３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
ドナ－イオンの注入：ｎ型［ＢａＴｉＯ3＋Ｌａ3+，Ｃｅ3+（Ｂａ2+と置換）］
ｐ型［ＢａＴｉＯ3＋Ｎｂ5+（Ｔｉ4+と置換）］
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１８．８，１８．９参照］
・・・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１８．８ＺｎＯバリスタの典
型的なＩ－Ｖ特性
（電流はＶBで急速に増加）
図１８．９ＺｎＯ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

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