セラミックス

セラミックス

　セラミックスの物性③

第 1 １， 12 回　７月 9 日 ( 水）

電気・電子・磁気的特性 （１）サ－ミスタ（ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒ） *) ［：図４．７参照］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 ）　　③Ｐ TC 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とによって温度を検出するセンサー素子

図４．７　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抵抗が急激に低下する材料　　Ｖ 2 Ｏ 5 ：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（Ｆｅ 2 Ｏ 3 －Ｔｉ系，ＮｉＯ－Ｌｉ系），　　ＺｒＯ 2 －Ｙ 2 Ｏ 3 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 Ｐ TC 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　　　　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

(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

サーミスタ (Thermistor, Thermally sensitive resistor) の種類

※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

)11

(

00exp TT

B

RR

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）

　図４．８　ＺｎＯバリスタの典　　　　　　　型的なＩ－Ｖ特性　　　　（電流はＶ Bで急速に増加）　　　　　　　図４．９　ＺｎＯとＳｉＣのバリスタ特性

（２）バリスタ（ｖａｒｉａｂｌｅ　ｒｅｓｉｓｔｅｒ）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　　（電圧が増加すると抵抗が急減し、非オ－ム則を示す材料）　　［：図４．８，図４．９参照］　　・・・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Ｖ Bで突然　　　　　抵抗値が消失し電流が急激に増加する

　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

※V=IR に従わない

（３）誘電体特性［：図４．１０参照］　　：絶縁体と同等な挙動をとるが、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を有する材料［：図４．１１，図４．１２参照］① 常誘電体：誘電率の低い物質［：ＢａＴｉＯ 3 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　　　　　　［：ＢａＴｉＯ 3 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（ＰｂＺｒＯ 3 ）］

図４．１０　電界を印加した時の誘電体の分極モデル

　図４．１１　ＢａＴｉＯ 3 の結晶構造　　　　図４．１２　ＢａＴｉＯ 3 の誘電率の　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　温度依存性（ εa ：ａ軸方向の誘電率，　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　 εc ：ｃ軸方向の誘電率）

補足：　ＢａＴｉＯ 3 ，ＳｒＴｉＯ 3 セラミックス

　高誘電率材料，強誘電体材料の代表・・・小型大容量のセラミックスコンデンサの開発　　　　　　　　　　　　　　　　　　　［：図１，図２，表１参照］

図１　ＢａＴｉＯ 3 ，ＳｒＴｉＯ 3 セラミックス材料の応用分野

図２　ＢａＴｉＯ 3 セラミックスの比誘電率 ε ／ ε0 と誘電損失ｔａｎ δ　　　　　　　の温度特性　　　　・・・コンデンサの静電容量Ｃ：Ｃ＝ εs ／ ε0 ・Ａ／ｔ［Ｆ］　　　　　　　　　 εs ：比誘電率（ εs ＝ ε ／ ε0 ， ε ：誘電率）　　　　　　　　　 ε0 ：真空中の誘電率（ 8.854×10-12 ［Ｆ／ｍ］）　　　　　　　　　 Ａ：電極面積［ｍ 2 ］，　　　　　　　　　 ｔ：セラミックス素子の厚さ［ｍ］比誘電率が大きいほど、同一形状での大容量のコンデンサとなる　　　　　　　　　（→同一容量のコンデンサを小型化できる）

表１　アルミナ，ジルコニア，チタニア（ＴｉＯ 2 ）とＢａＴｉＯ 3 ，　　　　　　　　ＳｒＴｉＯ 3 セラミックスの結晶構造

（４）　ＰＺＴセラミックス　Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ 3 セラミックス［：図４．１３参照］　　・・・圧電性セラミックスの代表的材料　　　　　　基本機能（・・・電気－機械変換素子）［：図４．１４，表４．４参照］　　　　　　　：①圧力→電気　　　　　　　　②電気→振動・変位　　　　　　　　③電気→振動→電気

図４．１３　Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ 3 セラミックス［：ＰＺＴ］の応用例

　図４．１４　圧電セラミックスの３種類の基本的機能

表４．４　ＰＺＴとＢａＴｉＯ 3 セラミックスの圧電特性の比較

PZT PZT BaTiO3

MT-107* MT-18*

kp[%] 67 55 35.4kt[%] 71 65

2000 1400 1900

d31 -213 -104 -79d33 450 300 191

g31 -12.7 -8.4 -4.7g33 25 24 11.4

Y11E 6.3 8.1 9.3

Y33E 4.7 6.3 9.2

Qm 100 1000 430[℃] 354 300 120

[g/ cm3] 7.7 7.6 5.7高い圧電特性 高い圧電特性

Q低い m Q高い m

ソフトな材料 ハードな材料ガス点火器 超音波振動子 魚探用振動子

　 　 　材 質

　 　 　 　材 料 名

電気機械結合係数

　 ε比誘電率 33T/ ε 0

[10-12m/V]

[10-3Vm/N]

圧電定数

ヤング率

　 　 　 　 　 　主 な 特 徴

　 　 　 　 　 　主 な 用 途

[1010N/m2]機械的品質係数

キュリー点　 　密 度

（５）　磁性体セラミックス　フェライト，酸化鉄セラミックス［：図４．１５，表４．５参照］

図４．１５　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

軟磁性材料 (ソフト）　　（ ex. 磁気ヘッド材料 )

半硬磁性材料（セミハード）(ex. 磁気記録材料） 硬磁性材料 (ハード )

(ex.永久磁石 )

表４．５　代表的な鉄酸化物系化合物 X線密度[g/ cm3]

α -Fe2O3 六方晶 非磁性 赤褐色 5.29 Heamatite 赤鉄鉱，ベンガラγ -Fe2O3 立方晶 強磁性 　茶 色 5.07 Maghemite ガンマα -FeOOH 直方晶 非磁性 　黄 色 4.28 Goethite 針鉄鉱，黄鉄(α -Fe2O3 H・ 2O)Fe3O4 立方晶 強磁性 　黒 色 5.24 Magnetite 磁鉄鉱，鉄黒MnFe2O4 立方晶 強磁性 　黒 色 5.00 (J acobisite) マンガンフェライトCoFe2O4 立方晶 強磁性 　黒 色 5.29 コバルトフェライトNiFe2O4 立方晶 強磁性 　黒 色 5.38 (Trevorite) ニッケルフェライトZnFe2O4 立方晶 非磁性 赤褐色 5.33 (Flanklinite) 亜鉛フェライト，タン

(顔料）BaFe12O19 六方晶 強磁性 　黒 色 5.28 バリウムフェライトSrFe12O19 六方晶 強磁性 　黒 色 5.15 ストロンチウムフェライト

　 　鉱 物 名 　 　 　備 考　 　物 質 結晶系 　系 性 　　色 相

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ビデオテープ用磁性体　　　　　　　　　②音声録音（カセットテープ）用磁性体　　　　　　　　　③モータ回転用マグネット (ex.PC 用ハードディスクドライブモーター )　　　　　　　　　④スピーカー用マグネット

磁気記録用磁性体粉末

現在： CD,MO,MD(光磁気記録用メディア材料）(フロッピーディスク・・・）

BaO ・ 6Fe2O3

SrO ・ 6Fe2O3

特性良好(永久磁石 )