セラミックス 第 11，12，13 回目 『 セラミックス材料の物性 』 （ 2号館 2301教室 ） 磁性の分類，フェライト，強磁性体，永久磁石 サーミスタ特性，誘電体特性，ナノテクノロジー セラミックス材料の今後の応用と展開 2015 年 6 月 30 日（火）， 7 月 7 日（火），7 月 14 日（火） 工学部 材料工学科 教授 永山 勝久 ニューセラミックスの物性 ー セラミックスの材料物性 ー ６つの機能大分類 ① 熱的機能（⇒ 耐熱性，次世代エンジン用材料） ② 機械的機能（⇒ エンジニアリングセラミックス） ③ 生物・化学的機能（⇒ バイオセラミックス） ④ 電気・電子・磁気的機能 （⇒ 導電性，半導性，イオン伝導性，圧電性， 誘電体，磁気的機能・磁性材料関連） ⑤ 光学的機能（⇒ 光ファイバー，レーザー発振材料） ⑥ 原子力関連機能（⇒ 核燃料，炉心・制御・遮蔽材） ニューセラミックスの代表的な電気・電子・磁気的性質 1．『絶縁性』：物質に通電する際、大きな電気抵抗により電気を通さない性質 2．『誘電性』：物質に電圧を印加した時、物質の両表面に電荷が現れる性質 誘電特性は、比誘電率（：誘電率 ε と真空の誘電率 ε0 の比）の大きさ クオーツ（単結晶SiO2）：3.8， サファイヤ（単結晶Al2O3）：9.4， チタン酸バリウム（BaTiO3）：4,590 ← 強誘電体（コンデンサ）となる 3．『導電性（半導体）』：特定のセラミックスは電気を通し、半導性を示す １）サーミスタ：温度を上げると抵抗が下がり、電気を流す性質 ２）バリスタ：電圧が高くなると電気抵抗が下がる性質 電子回路に必要以上の高電圧がかかるのを防ぐ電子部品 4．『圧電性』：①特定物質に応力（振動，歪）を加えると電気を発生する性質 ②特定物質に電気を流すと振動を発生する性質 「圧電セラミックス」：チタン酸ジルコン酸鉛（PbZrTiO3：PZTセラミックス） 5．『磁性』：通常のセラミックスは磁性を示さないが、フェライト（酸化鉄 Fe3O4， 酸化Ni，Baフェライトなどの混合焼結体）は強磁性（磁石特性）を示す 6．『超電導』：電気抵抗がゼロになり、一度流した電気が流れ続ける性質 ③ ④⑤ ③ ④ ⑤ フェライト磁石発見の歴史的推移 『1933年に世界初のフェライト磁石（OP磁石）の発明』 ①「KS鋼（1917年に本多光太郎博士（東北大）が発見した世界最強の 永久磁石（“近代磁石の始まり”）：Fe-35%Co-6%Cr-6%W-0.9%C）」 ②「ＭＫ鋼（1931年に三島徳七博士（東大）が発見した析出硬化型・ 鋳造磁石：Fe-Ni-Aｌ合金，KS鋼の倍（500Oe）の保磁力Hcを有する）」 ③「フェライトOP磁石（1933年に加藤与五郎、武井武両博士（東工大） が開発， 鋳造磁石とは原理1）が異なり、セラミックス強磁性粉末の 酸化鉄Fe3O4を主成分とし、これに各種フェライトを混合した結果、 コバルトフェライトCoFe2O4が優れた永久磁石になることを発見」 注）「OP磁石」：酸化物Oxide Powderの略（東工大所在地大岡山のOと 永久磁石Permanent Magnetの頭文字P をとったとも言われている ⇒ その後、Baフェライト，Srフェライト（AFe12O19 ）高性能磁石へ発展 「フェライト磁石」は①，②の金属合金磁石とは異なり、セラミックス （酸化物）であること、強磁性の一部 となる“フェリ磁性（セミハード， 磁気記録用磁性体）” を利用した点 が大きな特徴 となる 1）①，②が形状磁気異方性を利用した磁石であるのに対し、フェライト 磁石はSm-Co，Nd-Fe-B磁石同様、結晶磁気異方性 を利用した磁石 ④「Baフェライト磁石：BaFe12O19（BaO・6Fe2O3），1952年にオランダ のフィリップス社によって、フェライト磁石（OP：Oxide Powder磁石 ：1952年に日本で発見）の性能を上回る「Baフェライト磁石」が開発 され、「高性能異方性型フェライト磁石として世界に登場した」 ⑤「Srフェライト磁石：SrFe12O19（SrO・6Fe2O3），1961年にアメリカの、 ウェスチングハウス社によりBaフェライトを上回る「Srフェライト磁石」 が開発された」 上記、２つの磁石は、いずれも『マグネトプランバイト型』と呼ばれる 六方晶の結晶構造を有し、フェリ磁性を示す高性能永久磁石である 「フェライト磁石」は「原料が酸化物系セラミックス磁性粉末」と安価 なため、1968年に Sm-Co磁石が発見 されるまでは、低コストかつ 高性能を有する磁石材料として、世界中で研究・開発が行われた なお、「フェライト磁石の工業化と大量生産」に成功を修めたのが、 ＴＤＫ（当時の東京電気化学工業株式会社）を始めとする、日本の 企業であり、その後のエレクトロニクス時代を担う磁石材料として、 フェライト磁石は、現在でも世界で最も数多く生産・利用されている 世界における永久磁石の生産量と生産額の比較 『フェライト磁石』が、生産量94%（45万トン），生産額50.11%（22億5千万円）で共に世界第1位 高性能磁石特性を有する『ネオジム磁石』の生産額と生産値は共に第二位であるが、その 生産量は4.27%しかない。 現在、資源の少ない、希土類元素を使用しない（レアアース・ フリー）安価な高性能酸化物系セラミックス・フェライト磁石の開発が世界中で期待されている 永久磁石材料の年産量の比較： 2000年 年生産量(トン) 百分率（%） アルニコ フエライト サマコバルト ネオジ焼結 ネオジプラマ グ 7300 450000 1000 16400 4000 3.43 0.84 1.52 94.0 0.21 4.27 永久磁石の年産総生産額の比較： 2000年 アルニコ フエライト サマコバルト ネオジ焼結 ネオジプラマ グ 年生産値(百万ドル) 160 2250 120 1480 480 32.96 10.69 百分率（%） 3.56 50.11 2.67 43.65 2012年 磁性材料国内生産実績推移（金額／億円） 180 ソフトフェライト 160 一般社団法人 電子情報技術産業協会 （JEITA: Japan Electronics and Information Technology Industries Association） 出典 http://home.jeita.or.jp/ecb /information/stati_mat.html より フェライト磁石 140 希土類磁石 120 100 80 60 40 20 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 300% 9月 10月 11月 12月 2012年度 磁性材料国内 生産実績推移（前年同月比） ソフトフェライト 250% フェライト磁石 ソフトフェライト（酸化鉄：M2+O・Fe2O3を 主原料とする軟磁性材料） 200% 希土類磁石 フェライト磁石（Baフェライト，Srフェライト）150% 希土類磁石（Sm-Co系，Nd-Fe-B系） ↑ 100% 硬磁性材料＝永久磁石材料 50% 0% 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 2012年 誘電体セラミックス世界生産量合計推移（2002年を100とした指数） 300 誘電体セラミックス原料 誘電体セラミックス電極材料 250 誘電体セラミックス原料1）と電極材料2） ・・・世界生産量の合計数値（重量指数） 200 150 １） 誘電体セラミックス原料 チタン酸バリウムBaTiO3原料 （酸化チタンTiO2，炭酸バリウム BaCO3）の合計重量の数値， 100 50 2002年の月平均値を100とした指数 0 1月 2月 3月 4月 5月 6月 2）誘電体セラミックス電極材料 Ag，Pd，Ag-Pd合金3），Ni の 合計重量の数値 7月 8月 9月 10月 11月 12月 2012年度 誘電体セラミックス世界生産量合計推移（前年同期比） 140% 120% 2002年の月平均値を100とした指数 3）Ag-Pd合金 携帯電話等の小型電子機器に 実装される電子部品に適合する 回路形成用導電性ペースト材料 100% 80% 60% 誘電体セラミックス原料 40% 誘電体セラミックス電極材料 Ag-Pdナノ粒子ペースト 5nm程度のナノ粒子を使用して 20% 20μm程度の超微細電子（導電性） 0% 回路パターン形成を実現 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 ← Nd-Fe-B焼結磁石（BH）max＝～60MGOe JEITA 社団法人電子情報技術産業協会 JABM 日本ボンド磁性材料協会 より引用 ← フェライト磁石（BH）max＝～5MGOe 図 日本における永久磁石材料の 左上：磁石特性の推移 右下：生産総額の推移 フェライトボンド磁石 → フェライト焼結磁石 ○＋フェライトボンド磁石 ○ 生産額：～250億円（希土類焼結磁石に次、第２位） フェライト磁石 ← J E I TA 社 団 法 人 電 子 情 報 技 術 産 業 協 会 JABM 日本ボンド磁性材料協会 より引用 ← フェライト焼結磁石生産量 ： 40 kton（40万トン） 第１位 ← フェライトボンド磁石 ：＝10 kton（10万トン）第３位 図 日本における永久磁石材料の 左上：生産量（重量）の推移 右下：生産コストの推移 フェライト焼結磁石 ○，フェライトボンド磁石 ○ ：共に、全ての磁石中、最も製造コストは低い → フェライトボンド磁石○ ↓ 図 永久磁石材料の種類と強さの比較 フェライトの応用分野 TDK（株）HPより 『 フェライトコア 』 ：携帯電話，各種通信機器， パソコン等のケーブル端部に 取り付けられている円筒状の 部品が「フェライトコア」であり、 高周波ノイズ吸収用フィルター として使用される ケーブル内にノイズ電流（高周波）が流れ ると、ケーブルから磁場が発生するため、 それを「フェライトコア」に吸収させ、熱に 変えることでノイズを低減させ、音質向上 やPC，情報端末等の誤動作を防止する １．磁性体セラミックス（フェライト，酸化鉄セラミックス ［：図1，表1 参照］） 軟磁性材料（ソフト） （ex.磁気ヘッド材料， トランス用材料） 半硬磁性材料 （セミハード） （ex.磁気記録 用材料） 硬磁性材料（ハード） （ex.永久磁石材料） 図１ 磁性体セラミックス （フェライト，酸化鉄 セラミックス）の用途 表１ 代表的な鉄酸化物系化合物 物 質 結晶系 系 性 色 相 α -Fe2O3 γ -Fe2O3 α -FeOOH (α -Fe2O3・H2O) Fe3O4 Fe(Fe2O4) MnFe2O4 CoFe2O4 NiFe2O4 ZnFe2O4 六方晶 立方晶 直方晶 非磁性 強磁性 非磁性 赤褐色 茶 色 黄 色 X線密度 [g/cm3] 5.29 5.07 4.28 立方晶 立方晶 立方晶 立方晶 立方晶 強磁性 強磁性 強磁性 強磁性 非磁性 黒 色 黒 色 黒 色 黒 色 赤褐色 5.24 5.00 5.29 5.38 5.33 六方晶 六方晶 強磁性 強磁性 黒 色 黒 色 5.28 5.15 永久磁石 BaFe12O19 SrFe12O19 鉱物名 α-Hematite Heamatite γ-Hematite Maghemite Goethite Magnetite (Jacobisite) (Trevorite) (Flanklinite) 備 考 赤鉄鉱，ベンガラ ガンマ 針鉄鉱，黄鉄 磁鉄鉱，黒鉄 磁鉄鉱，鉄黒 マンガンフェライト コバルトフェライト ニッケルフェライト 亜鉛フェライト，タン (顔料） バリウムフェライト ストロンチウムフェライト フェライトの一般式：M・Fe2O4 ・・・ M：2価の金属イオン （M = Mn, Ni, Zn, Ba,Sr,・・・） **酸化鉄（磁性体酸化鉄）・・・Fe3O4 : マグネタイト 「主な用途」： ①ビデオテープ，カセットテープ用磁性体 磁気記録用 磁性体粉末 BaO・6Fe2O3 ②フロッピーディスク用磁気記録媒体 ③モータ回転用マグネット（ex. PC用ハードディスクHDD SrO・6Fe2O3 ④スピーカー（ex．携帯電話，音楽プレーヤー）用 注）現在：CD, MO, MD（光磁気記録用各種メディア材料） マグネットドライブモータ） （※ ビデオテープ、フロッピーディスク等の記録用媒体は全て γ-Fe2O3 粉末を使用） 『磁性材料（強磁性体材料）の実用的分類』［：図２ 参照］ ①軟磁性材料（ソフト磁性材料） ・・・保磁力Ｈcが小さく、磁化率χrが大きい（⇒ Ｍ／Ｈが大きい）材料 例）磁気ヘッド，トランス用磁芯材料 ②硬磁性材料（ハ－ド磁性材料） ・・・保磁力Ｈcが大きく、かつ飽和磁化ＭS，残留磁化Ｍrが 共に大きい材料， 例）永久磁石材料 ③半硬磁性材料（セミ・ハ－ド磁性材料） ・・・①と②の中間的性質を示す磁性材料 例）磁気記録用材料：磁気テ－プ材料，磁気ディスク材料， 垂直磁気記録材料，光磁気記録材料 Ｂ：磁束密度［単位：Gauss］ （強磁性体中の磁化の大きさＭと 外部磁場Ｈの両者を合せた物理量） 図２ 磁性材料とＢ－Ｈヒステリシス曲線 ①軟磁性材料，②永久磁石材料，③半硬質磁性材料 保磁力Hcによる磁性体の分類 ③ ①Hc小：軟質磁性体 ① ：磁気ヘッド、変圧器鉄心、 磁気シールド ②Hc中：半硬質磁性体 ：磁気記録媒体 ③Hc大：硬質磁性体 ：永久磁石 ② 1Oe=80A/m 1T=8x105A/m →105A/m=1.3kG 『強磁性体の特徴』 外部からの磁場印加によって、強磁性体特有の磁化挙動を示す （ ⇒ 強磁性体の特徴となる、外部磁場Hに対する磁化Mの変化） ↓ “磁化曲線＝ヒステリシス（M-H）曲線”［：図３ 参照］ ・・・強磁性体が有する単位体積当りの磁化（磁気モーメント）の 大きさＭが、外部磁場Ｈの増大と減少に伴い、連続的に変化 する時の物質の磁性状態（過程）を示す曲線 『磁化Ｍ』 ：原子が有する孤立電子（不対電子，スピン）によって 発生する磁気モ－メントの総和 （ ⇒ 結晶を構成する全ての原子が有する不対電子の総和） 『磁場Ｈ』 ：物質に対し、外部から連続的に印加する磁場力（磁場の強さ） 『強磁性体の磁化過程』 ①：最初の状態（Ｈ＝０，Ｍ＝０） ②：初磁化過程 （χr：磁化率，Ｍｓ：飽和磁化） ③：外部磁場を取りさった状態 （Ｍr：残留磁化（Ｈ＝０） ④：-Ｈｃの磁場で強磁性体中の 磁化Ｍは完全にゼロになる （Ｈc：保磁力） ⑤：②とは反対方向に飽和磁化 した状態（-Ｍｓ） ⑥：③とは反対方向に生じた残留磁化(-Ｍｒ) 図３ ヒステリシスＭ－Ｈ曲線 ⑦：④とは反対方向の保磁力Ｈｃ ［Ｍ－Ｈ曲線は閉じる］ ⑧：②と同一方向の飽和磁化状態Ｍｓ 注）χr：強磁性体に磁場印加した時の最初の傾き［磁化率χr＝Ｍ/Ｈ］ Ｍs：強磁性体内の全ての磁気モ－メントが印加磁場（外部磁場） 方向に配列した時に生じる磁化Ｍ［飽和磁化］ Ｍr：飽和磁化状態Ｍsにある強磁性体に逆方向の磁場を印加し、 外部磁場がＨ＝０の時に強磁性中に残存する磁化Ｍ［残留磁化］ Ｈc：強磁性体中に残った磁化を全てゼロにするために必要な磁場 強磁性体の磁化過程 －磁化Mと磁場Hの関係（ヒステリシス曲線）－ 磁化M 残留磁化Mr DB 飽和磁化Ms C 磁化率 χ=M/H E 第11,12,13回目 HP掲載資料 A ⑫ 保磁力Hc O 磁場H F G 図 ヒステリシス曲線（Ｍ－Ｈ曲線） Magnetization(磁化) 強磁性体の温度：Tと磁化：Mの関係 (強磁性体から常磁性体への変化：キュリー温度，Ｔｃ) 強磁性 常磁性 キュリー温度: Tc 鉄のキュリー温度: 770℃ Temperature(温度): ℃ 強磁性体の磁化曲線（ヒステリシス） O→B→C:初磁化曲線 C→D: 残留磁化 D→E: 保磁力 C→D→E→F→G→C :ヒステリシスループ 残留磁化 飽和磁化 保磁力 初磁化曲線 Hcによる磁性体の分類 Hc小：軟質磁性体 Hc中：半硬質磁性体 Hc大：硬質磁性体 初磁化状態 マイナーループ 世界最強の永久磁石材料 Nd2Fe14B相の結晶構造 結晶構造：正方晶（a=8.81Å，c=12.21Å） ナノレベルで原子配列が制御された ９層・稠密・積層・正方晶構造 単位胞 ：４×Nd2Fe14B＝68個の原子 Fe：５６個，Nd：８個，B：４個 特異構造：下に示す積層構造を呈する （9層稠密構造） Nd4Fe2B2（C面） | Fe11（Fe-Cr 2元系で表れるσ相と同一， | かつC面に平行でない） Fe4 | Fe11 | Nd4Fe2B2（C面/2） | Fe11 なお | １）C軸にはFe原子のみ Fe4 ２）Nd, B原子は、C面 | および1/2C面のみ Fe 11 | Nd4Fe2B2（C面） Nd1, 4f Nd2, 4g Fe1, 4e Fe2, 4c Fe3, 8j1 Fe4, 8j2 Fe5, 16k1 Fe6, 16k2 B , 4f 『Nd-Fe-B永久磁石材料（ネオジム磁石）』 ・・・エレクトロニクスの高性能化・小型軽量化に大きく貢献 （※ 1982年に住友特殊金属の佐川眞人らによって発明 された世界最強の高性能永久磁石材料） 【応用例】 ① ハードディスクHDDのヘッドを駆動するリニアモータ およびディスクを回転させるスピンドルモータに使用 ② 携帯電話の振動用モータ（・・・マナモード時）に使用 ③ CD，DVDなどの光ピックアップなどの各種小型モータ ④ 風力発電用・永久磁石式発電機 ⑤ ＭＲＩ-ＣＴ（強い磁場を利用した身体の断層映像医療・ 観察・診断用）用マグネット（核磁気共鳴ＮＭＲを利用） ⑥ ハイブリッドカーや電気自動車の発電・動力用モータ （・・・永久磁石式自動車用同期モータ）に大量に使用 （MRI：Magnetic Resonance Imaging， 磁気共鳴画像装置） （Voice Coil Motor） （Anti-lock Braking System， VCM： HDDの磁気ヘッド， 自動車ブレーキ用センサ） デジタルカメラ・オートフォーカス用 位置決めセンサ 微小精密モーター 出典： 日経ものづくり （2011年1月号，pp.52-57より） 用永久磁石型 同期PMモーター 医療機器関連 ：永久磁石式ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）*) *) ＭＲＩ：核磁気共鳴（ＮＭＲ-CT）を利用して身体の断層映像を得る装置 ［特徴］：超伝導磁石によるＭＲＩよりも発生磁場は小さいが、 コンパクトかつコストが安い［：図１，図２ 参照］ 図２ 永久磁石式ＭＲＩを搭載したＭＲＩ検診車 図１ Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系焼結磁石を使った永久磁石式ＭＲＩ Nd-Fe-B製 PMモーター トヨタ・プリウス（ハイブリッドカー） ウィキペディア (Wikipedia) http://ja.wikipedia.org/ より Nd-Fe-B永久磁石：1982年に住友特殊金属の佐川眞人らによって、 Nd-Fe-B磁石（ネオジム磁石）が発明された。ネオジム磁石を使った 永久磁石式同期モーターは、新型ハイブリッドカーや 電気自動車の発電・動力用モーターに大量に使用される ハイブリッドカーの駆動モーターには、車１台当たり、 1.2ｋｇのNd-Fe-B焼結磁石が使用される 注）永久磁石型同期モーター：Permanent Magnet Synchronous Motor Nd-Fe-B製 PMモーター用磁石 ※ 駆動モーターの中で、最も普及しているのが『永久磁石型同期（PM）モーター注）』 であり、現在、実用化されている電気自動車や、トヨタのハイブリッドカーなどに搭載 MEMS（Micro Electro Mechanical Systems） ：センサー，アクチュエータ（電子回路を構成する 素子），電子回路を一つのSi基板，ガラス 基板，有機薄膜上に集積化したデバイス 第11,12,13回目 HP掲載資料 ㉙ 補足：【磁性の基礎】 『磁性の分類』［：表１，図１，図２，表２ 参照］ ：原子が有する固有の不対電子*) （電子，スピンの自転）による 磁気モ－メントの配列の仕方（スピンの秩序性）で、磁性状態は 以下の ① ～ ④ に分類される *) 不対電子を有する原子（⇒室温以上で強磁性状態を示す元素） ⇒ Ｆｅ族３ｄ遷移金属［26Fe，27Co，28Ni］＋４ｆ 希土類金属64Gd ① 常磁性 ：不対電子による磁気モ－メントが外部磁場方向 に配列せず、バラバラの方向をとる磁性状態 ② 反強磁性 ：２つの磁気モ－メント↑と↓の大きさが同じで、 完全に正・負の磁気モーメントを打ち消す磁性状態 ③ フェリ磁性 ：外部磁場によって、反強磁性と同じスピン配列を とるが、２つの磁気モ－メントの大きさに差があり、 ある方向に強い磁性を示す（⇒「磁気記録材料」） ④ 強磁性 ：全ての磁気モ－メントが一方向（外部磁場方向） に完全に揃い、強い磁性を示す （⇒ 「実用磁性」 ・・・トランス，磁気ヘッド，永久磁石材料 など） 表１ 磁性体の種類 ⇒スピン（不対電子）に依存しない磁性 ラーモアの反磁性：1905年 １．原子が電子による磁気モーメントを持つ場合 ⇨ 強磁性，反強磁性 ⇨ 常磁性，反磁性 ２．原子が電子による 磁気モーメントを持たない場合 （互いに打ち消し合う・・・常磁性） 注）反磁性 （diamagnetism）: 磁場印加により、負の磁化率を有する磁性 ⇒ 磁場に対し逆方向に磁化を示し，反発する磁性） 外部磁場印加により，物質中に電磁誘導に依存した円電流（永久電流）が流れ、 磁場印加方向と逆向きにローレンツ力（＝円電流による磁場＝反発力）を生じる 図１ 常磁性，強磁性，反強磁性体の 磁気モーメント（スピン）配列 『常磁性（Paramagnetism）』 ：磁気モーメント（スピン）を有するが、外部磁場が無い時は スピンがばらばらで磁化を示さず、外部磁場を印加すると 磁場方向に弱く磁化する磁性（ ⇒ Ｍ＝χＨ：線形変化） 『強磁性（Ferromagnetism）』 ：全てのスピンが磁場方向を向き、強い磁化を示す磁性 『反強磁性』 ：片方のスピンは磁場方向に向き（強磁性→）、もう１つの スピンは反対方向に向き（←）、磁化を完全に打ち消す磁性 図２ フェライトのフェリ磁性および 各種磁性の磁気モーメント配列モデル 表２ 磁性の分類 常磁性 強磁性 常磁性 反強磁性 フェリ磁性 負(磁場よりは 磁場にかられる 常磁性の一種 常磁性の一種 強く磁場にひ 特 強磁性に似る きつけられる じき出される） 温度係数負 性 温度係数負 温度変化なし 物質のもつ電子不対電子のもつ 磁気モーメント 磁気モーメント 物質の中に磁 の軌道運動の 磁気モーメント が相互に打ち消 が反平行に配向気モーメントを 外部磁場による の磁場による配 し合う形で配向 しているがその そろえた磁区が 起 歳差運動 向および自由電 している モーメントに差 あり、それが磁 因 子の磁気モーメ があり強い常磁 場で一方向に ントの配向 性を示す 配向する （Pauli 常磁性) 分類 モ デ ル 反磁性 振動試料型磁力計 （VSM） 小さな試料片を印加磁場H により磁化させ一定の大きさ の振幅と周波数で正弦波的 に振動させたとき、近接させ ておいたコイルに誘導される 起電力の大きさから磁化の 強さMを求める方法 （←永山研究室・所有装置 豊洲校舎１F-D-30実験室） 強磁性体の原理・機構 強磁性体（ex.永久磁石）になるために は、原子が磁気モーメントを持つだけで は不十分で、その向きが揃っていなけ ればならない 原子 磁気モーメント 強磁性 常磁性 鉄 コバルト アルミニウム サーミスタ，バリスタ，誘電体（電気・電子的特性） （１）サ－ミスタ（ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒ）*) ［：図１ 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 Resistor：臨界温度サ－ミスタ ②ＮＴＣサ－ミスタ（Negative Temperature Coefficient thermistor） ③ＰＴＣサ－ミスタ（Positive Temperature Coefficient thermistor） ③ ① ② *) サーミスタ（thermistor） Thermally Sensitive Resistor 電気抵抗の特異な温度依存性 を利用して、材料の電気抵抗を 測定することにより温度を検出 するセンサー素子 図１ ３種類の代表的サ－ミスタ の電気抵抗の温度依存性 ① 『ＣＴＲサ－ミスタ』：結晶の構造変化が生じる相転移点で 電気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 ② 『ＮＴＣ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 ③ 『ＰTCサ－ミスタ』：相転移点で抵抗が急激に上昇する材料 （⇒ 「ＣＴＲ及びＮＴＣサ－ミスタ」とは逆に、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 （ｅｘ．代表材料：ＢａＴｉＯ3 ・・・セラミックスコンデンサ材料） ［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（代表的３種類）の特徴 （Thermistor, Thermally Sensitive Resistor） （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 0 R R 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・応用例］ : 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測センサー） （２）バリスタ（variable resister）特性 [定義]：電流－電圧特性が非直線的なセラミックス半導体材料 （電圧が増加すると抵抗が急減し、非オ－ム則を示す材料） ※ V=IR に従わない ［：図２，図３ 参照］ ⇒ 低電圧域では温度依存性が小さいが、 臨界降伏電圧ＶBで、突然電気抵抗値が 消失し、電流が急激に増加（流れる） 図２ ZnOバリスタの典型的なI-V特性 (電流はVBで急激に増加） 図３ ZnO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 （３）誘電体特性［：図４ 参照］ ：絶縁体と同様、電界を印加した場合に 定常電流は流れないが、 電荷を蓄積できる特性（コンデンサー特性）を有する材料 ［：図５， 図６ 参照］ ① 常誘電体：誘電率の低い物質 ［：ＢａＴｉＯ3の高温相（立方晶型）］ ② 強誘電体：外部電界によって双極子モ－メントが整列することに よって自発分極が発生し、かつ自発分極の方向が変化できる物質 ［：ＢａＴｉＯ3の低温相（正方晶型）］ ③反強誘電体：自発的な双極子の配列が結晶内で平行になるよりも、 反平行になる方が安定な物質 ［：ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ3）］ 図４ 電界を印加した時の 誘電体の分極モデル A C F t ：誘電率 A：電極面積 t ：電極間距離(誘電体の厚さ) 図５ BaTiO3の結晶構造 図６ BaTiO3の誘電率の温度依存性 （a） BaTiO3の高温相（常誘電体） （εa ：a軸方向の誘電率， （b） BaTiO3の低温相（強誘電体） εc ：c軸方向の誘電率） 『固体電解質（安定化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 （※ 室温以上で立方晶構造を安定化させ、 高温での結晶構造変態を完全に抑制させる） 『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O2-が不足し、 酸素イオンの伝導体（＝『固体電解質』） として応用［：図１ 参照］ → 各種酸素センサ素子 ［：図２， 図３， 図４ 参照］ PSZ：セラミックス高温・高強度構造材料 『部分安定化ジルコニア（ＰＳＺ：Partially Stabilized Zirconia）』 ：正方晶ZrO2（高温安定相） または 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』の代表 ［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、外力を相変態時の駆動エネルギ－ として吸収する ⇒ 『結晶（構造，相）転移による強化機構』 ・・・ ＴＴＺ （Transformation Toughened Zirconia） 特徴 ：①高強度，高靭性 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 ↓ 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１ Ｙ2Ｏ3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２ 安定化ＺｒＯ2固体電解質を用いた 酸素センサの酸素濃度と起電力の関係 図３ 自動車用排気ガス用 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） 自動車排気ガス中のCOまたはCO2濃度を測定） Ｅ（O2-のイオン伝導によって生じた起電力） PR（大気中のO2量） = 55.7log10 PM（測定ガス中のO2量） （SOFC） 図４ ＺｒＯ2セラミックス用途 光学的機能 － 代表材料 － 光通信用ガラスファイバー［:SiO2（石英ガラス）製ファイバー］ ※ 単結晶石英ガラス（SiO2）：可視光（人間が目で見ることが できる波長を有する光）を最も良く伝える固体材料 ［光ファイバ（Optical fiber）の概要および要求特性］ ① 直径50～125μm ② 屈折率が高い：1.5（cf．空気：1.0，水：1.3，ダイヤモンド：2.4） ③ 1本のファイバーで、1Tbps（1012ビット/秒）以上の光デジタル 信号（電話回線1万本以上）かつ100kmを無中継で伝送可能 ④ 1秒間に地球を5周程度回る速度（秒速約20万km）で、 光デジタル信号を高速伝送する ⑤ 光ファイバー中での損失量は、1kmで数%程度（約0.3dB*)） と非常のロスが少ない *) 光が1km伝送することによって、1/1に減衰する時、1デシベル （dB） とする ＝ “1㎞での減衰率がゼロ（損失が全くない）” コア径：約50μm，クラッド径：約125μmのファイバーの外周部を シリコーン樹脂で被服 屈折率の高い，中央部のコア（Si＋Ge）と外周部の クラッド（Si）の境界部で光信号を全反射させ、 Si 長距離伝送を可能とする Si（＋Ge） 図 光ファイバー中の光デジタル信号の伝送機構 ［製造法の一例］ ：原料ガス（SiCl4：四塩化ケイ素）＋GeCl4：四塩化ゲルマニウム）＋Ｏ２＋Ｈ２）を 石英ガラスチューブ内で燃焼・分解 原料ガス中から Si（＋Ge）O2 が石英チューブの内側に析出 石英ガラスチューブごと加熱して引き伸ばし、ファイバー状に加工する 企業が求める大学生の要素・人材 企業が求める大学生の６大要素（NEC 遠藤社長） １．基礎学力・・・大学１，２年生の教養・基礎学力 （工学リベラルアーツ：工学を基盤とする倫理感ある大学教養教育） ２．専門力・・・大学で何を学んだが 自分の大学，学部，学科，専攻を熟知 自分の興味や強み（専門性）が明確化 ３．自己力・・・問題意識，解決力・自己分析力が高い ４．プレゼンテーション能力・・・自分の考えを伝達 ５．コミュニケーション能力・・・社会，他人との関わり ６．国際力・・・国際感覚に優れ、語学力の高い人材 大学人（教育・研究者）にとって必要な5P 国際基督教大学ICU 鈴木典比古 前学長 現在，国際教養大学 理事長，学長 ・・・①価値観，②創造力，③決断力，④説得力， ⑤実行力 等が総合された全人格を有する人間 １．Passion（情熱）・・・自ら考え情熱をもって取り組む ２．Persuation（説得）・・・自分の考えを丁寧に伝える ３．Patience（忍耐）・・・辛抱強く自分の考えを貫き 答え（結果）を導く ４．Perspective（見通す力）・・・洞察力，先見性 ５．Planning（計画力）・・・事前準備，意義ある計画 ↓ P（Plan）・D（Do）・C（Chek）・A（Act）を確実に遂行
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