セラミックス - shibaura-it.ac.jpnagayama/Ceramics130527.pdfBaTiO 3（チタン酸バリウム），Pb(Zr,Ti)O 3（ジルコン酸鉛）， UO 2（ウラニア），PuO...

セラミックス

2013 年 5 月 28 日（火），6 月 4 日（火）

材料工学科 教授 永山 勝久

第 7，8 回目

（ 2号館 2301教室 ）

セラミックスの種類と用途 （－代表的なセラミックス材料－）

セラミックス材料の大分類：（１）酸化物系セラミックス （２）非酸化物系セラミックス

1． 酸化物系セラミックス 『代表的な材料（金属酸化物を原料としたもの）』

：Al2O3（アルミナ），ZrO2（ジルコニア），MgO（マグネシア）， SiO2（シリカ），TiO2（チタニア），Fe3O4（マグネタイト）， BaTiO3（チタン酸バリウム），Pb(Zr,Ti)O3（ジルコン酸鉛）， UO2（ウラニア），PuO2（プルトニウム）・・・

核燃料

注）Pb(Zr,Ti)O3（ジルコン酸鉛）セラミックス ：圧電体セラミックス材料 の代表 『圧電性（piezoelectric effect）』 とは ①ある種の材料に圧力（応力）を加える電圧を発生する現象 ②ある種の材料に電気を流す（電圧を印加）と振動（変位）する現象 【代表材料】：水晶（クオーツ），PZTセラミックス（・・・誘電体の一種） 【応用例】 ① ガスコンロ，ファンヒターの点火スイッチ ② 水晶振動子（クオーツ時計）, 魚群探知機， 超音波振動子, スピーカーなど各種振動用センサ素子

①Ａｌの酸化物を精製・調整し焼結したもの ②電気絶縁性，耐熱性，耐食性に優れる ③電子材料の基板として多用される（ＩＣ基板、ICパッケージ） ④耐摩耗性を利用した軸受け，シャフト ⑤化学的安定性，生体組織適合性を利用した人工骨， 人工歯，人工関節などの 生体材料 ⑥軽量性とダイヤモンドに 次ぐ高硬度 ⑦成形・加工の容易さ （マシナブル・セラミックス）

アルミナAl2O3

図 アルミナ製品（一例）

図 セラミックス多層基板（左：DRAM用，右：フラッシュメモリ用）

図 電子デバイス用各種セラミックス製パッケージ

ジルコニア ＺｒＯ2

①耐熱性と耐食性に優れる（→溶融金属，ガスなどに反応しない） ②純物質状態では高温での結晶変態に伴う破壊を誘発するため、 安定化剤（酸化カルシウム）を添加して焼結し、『安定化ジルコニア』 として高温発熱体等に利用 （・・・酸素イオン伝導体⇒固体電解質：「燃料電池」） ③キュービックジルコニアCZは光の屈折率が2.17と天然ダイヤモンド の2.47に近いためダイヤモンドの代用品として用いられている

図 Cubic ZrO2 図 ジルコニア耐熱材料

Mg,Ca,希土類金属等 活性金属用溶解ルツボ

他の代表的な酸化物系セラミックス

（a） マグネシア：MgO ① 透過性セラミックスの代表的材料 （→ 高圧ナトリウム灯用発光管に利用） ② Pt，Niや希土類金属用の溶解用ルツボとして多用

（b） ベリリア：BeO ：熱伝導率に優れかつ絶縁性が良好であるため ＩＣ回路の放熱基板に利用（ただし金属同様、毒性がある）

（c） チタニア：TiO2 ：硬度，引張り強さが大きい ⇒ 『光触媒』 として発展

（ｄ）フェライト：M2+O・Fe2O3 ：磁性体セラミックス材料の代表

耐高温、高強度特性 ジェット機（戦闘機） 用窓ガラス

（⇒ 修正液、修正テープ、白色塗料 等に使用）

『光触媒』は、TiO2微粒子や薄膜

表面に太陽や蛍光灯などの光が当たると、表面で強力な酸化力が生まれ、接触してくる有機化合物や細菌などの有害物質を除去する ことができる「環境浄化材料」 「光触媒の5つの機能」 1．大気浄化：工場や自動車から の排ガス中の窒素酸化物（NOx） や硫黄酸化物（SOx）などを除去 2．脱臭効果：アンモニア、硫化水素 等の悪臭を除去（・・・空気清浄機） 3．浄水効果：浄水，排水処理 （有機塩素化合物を分解除去） 4．除菌・抗菌効果：細菌を分解 5．防汚効果：表面に付着した汚れ

図 光触媒の５つの機能 （地球環境保護材料）

（＝油分など）を分解除去

（ｄ） チタン酸バリウム BaTiO3 ：チタニア（ＴｉＯ2）を炭酸バリウムと反応させて焼結したもの で、誘電率*)が大きく、コンデンサ材料の代表的材料として多用

*) 誘電体・・・電圧を付加した時には定常電流は流れないが、 電荷を蓄積することのできる材料［：コンデンサ］ 誘電率：ε（比例定数）・・・Ｄ＝εＥ 電束密度：Ｄ（・・・誘電体により形成されたコンデンサの単位 面積当りに蓄積される電荷量） 電界：Ｅ［Ｖ／ｍ］

図 セラミックコンデンサ （･･･電子製品、IT産業に不可欠）

電磁気学の基礎

2. 非酸化物系セラミックス 『代表的な材料』 （人工的に合成した新しい無機物を原料をとしたもの） ：Si3N4（窒化ケイ素），SiC（炭化ケイ素），BN（窒化ホウ素）， ZrC（炭化ジルコニウム），C（ダイヤモンド），炭素繊維 ･･･フラーレンC60，カーボンナノチューブ 『代表的な特性』 ：共有結合が支配的であるため、高温強度・脆性に優れる

物質中最も強い化学結合 セラミックス最大の弱点

（a） 窒化ケイ素Ｓｉ3Ｎ4

① 熱膨張率が小さく,かつ熱伝導率が大きいため、熱衝撃に強い ② 高温強度は１４７３Ｋで約７００ＭＰａ以上を示すため、 各種耐熱材料以外に高温用機械部品材としの応用が期待 （：切削工具，ガスタ－ビンの回転軸など ・・・ｃｆ．Ｎｉタ－ビン用基耐熱合金：１３６６Ｋ－３００ＭＰａ （ジェット機のタービンブレード・・・金属の2倍以上） の代表材料）

セラミックス高温高強度材料の代表的物質

「セラミックスエンジン材料」用構造材料

高温での変形が金属とは異なり小さい 金属と同程度の高い値

海底地震観測の現場を支えるファインセラミック材料

高い圧縮強度、耐食性、比重の小さい窒化ケイ素Si3N4は、深海用耐圧容器，特に、世界一深いマリアナ海溝の11,000mの深海に、地震計（自己浮上型海底地震計：海底で地震を観測・記録する装置，観測終了後、本体のみを海面に浮かせ、船で回収し、地震データを解析）の保護用耐圧容器として使用されている

（b） 炭化ケイ素ＳｉＣ ① 伝熱性に優れるため、高性能ＩＣ基板に利用 ② 硬度が大きい ③ Ｓｉ3Ｎ4同様，耐熱材料として期待 ④ 抵抗発熱体（通電により材料自体が高抵抗に起因して 発熱し高温になるもの）→ セラミックスファンヒーター ⑤ 次世代パワー半導体 ：電力（電圧）変換機器（インバーター）用半導体素子 ⇒ 交流電圧を直流電圧に高効率に変換（ex.60Hz → 50Hz）

・・・SiをGaNやSiCといった化合物半導体で置き換える ことで，Si製パワー半導体素子（以下，パワー素子）では 実現できない大幅な効率向上や小型化が見込めるため 例えば，送電システムや電車，ハイブリッド車，工場内の 生産設備，太陽光発電システムで利用するパワーコン ディショナー，エアコンを始めとする家電，サーバー機や パソコンなどの分野で使用する次世代用高性能半導体 素子材料としてGaNやSiCが今後の発展が期待される

図 次世代パワー半導体の用途・応用分野 （電力変換効率の向上、機器の小型・軽量化が期待）

（c） 窒化ホウ素 BN ① 炭素（常温・常圧：黒鉛，高温・高圧：ダイヤモンド）同様、 窒化ホウ素も、常圧相の六方晶と高圧相の立方相の ２つの構造を有する（⇒Ⅲ－Ⅴ族化合物） ② c-BN（Cubic Boron Nitride），②h-BN（Hexagonal）共に 実用材料として多用される 『立方晶BN（c-BN）の特徴』 １．ダイヤモンドに次ぐ高硬度 高温下において切削工具材料として期待 ⇒ セラミックス機械構造用材料 ※ 結晶構造がダイヤモンドに酷似し、原子間距離も ほぼ同じであるため、高硬度特性を有する ２．熱伝導もダイヤモンド同様に高い ※ c-BNの製造法 ・・・ h-BNを2273K－5000気圧の高温・高圧下で焼結

『六方晶BN（h-BN）の特徴』 １．熱的安定性に優れる （・・・2200℃付近まで使用可能） ２．熱伝導性に優れる （・・・鋼に近い高い熱伝導率） ３．熱膨張率が小さい （・・・熱衝撃性に優れる） ４．潤滑性・機械加工性が良好 （・・・精密加工が可能） ５．化学的安定性・耐食性良好 ６．電気絶縁性に優れる

図 c-BNの結晶構造（正四面体構造） ・・・四つの頂点にBまたはN原子， 重心位置にN原子またはB原子

図 h-BNの結晶構造（正六角形の頂点 の青：B，茶色：Nで、(a)(b)(a)(b)・・・ の二層積層構造で結晶を形成

ニュ－セラミックスの特性支配因子 （－ 特性と構造の関係 －）

『セラミックスの特性』［：図 １ 参照］ 「構造特性」・・・内部の気孔，粒子サイズ等のマクロ因子に依存 ［：構造敏感］ 「機能特性」・・・原子配列，原子価，イオン半径，電子状態等の ミクロ因子に依存

図１ セラミックスの 特性支配因子

機械的性質

電気的性質

熱的性質

化学的性質

微細構造

超微細構造

原子元素

http://www.jfca-net.or.jp/

より引用

ファインセラミックスの種々の高機能特性と応用分野および密接に関連する学問領域

ファインセラミックス の出発原料と製造技術の革新的かつ飛躍的進展に起因