セラミックス
第9回 6月18日(水)
セラミックスの物性
セラミックスの物性
ーセラミックスの材料物性ー
機能大分類:
①
②
③
④
⑤
⑥
熱的機能
機械的機能
生物・化学的機能
電気・電子的機能(含 磁気材料関連)
光学的機能
原子力関連機能
熱的性質
◎セラミックス材料特有の熱的問題点
(1)熱衝撃による脆性破壊*)・・・セラミックスの特徴(←「セラミックス材料の問題点」)
「セラミックスの熱膨張係数」[:表4.1参照]・・・金属材料に比べ小さい
*)熱衝撃:材料における熱の急激な変化(急激な温度変化)に伴う
脆性破壊現象
表4.1 セラミックス材料の熱膨張係数(線膨張係数)
線膨張係数
線膨張係数
0-1000℃
0-1000℃
材 料
材料
(cm /cm ℃×104)
(cm /cm ℃×104)
A l2O 3
安定化ZrO 2
8.8
10.0
B eO
9.0
溶融シリカガラス
0.5
M gO
13.5
ソーダ石灰ガラス
9.0
ムライト
5.3
TiC
7.4
スピネル
7.6
磁器
6.0
ThO 2
9.2
粘土質耐火物
5.5
UO 2
Y 2O 3
10.0
9.3
ジルコン
4.2
TiC サーメット
9.0
B 4C
SiC
4.7
4.5
『熱応力の定義』・・・材料内部に温度分布や温度勾配がある時に熱応力を発生
σt=E×ΔT×α
σt:熱応力
E:弾性率(セラミックス:Eは大):次ページの図(弾性率Eの定義)参照
ΔT:材料内部(例えば両表面部)での温度差
(セラミックス・・・熱伝導が悪いため、通常ΔTは大)
α:熱膨張係数(セラミックス・・・αは小)
熱応力の発生要因・・・①脆くて弾性率の大きい材料[:表4.2参照]
②急激な熱の出入りがある
③熱伝導率が小さくて熱膨張係数の大きい(通常は小)材料
*)熱応力による脆性破壊[=熱衝撃]:熱応力が大きくなり、表面での引張り破壊が
生じるようになると、亀裂が発生し始め、さらに亀裂が進行して全体の破壊に至る
(2)多結晶体固有の異方性に起因した高温焼結後・冷却時に生じる粒界部微小応力
やひずみによる脆性の発生
セラミックス材料の問題点
(3)熱伝導率[:図4.3参照]
・・・金属材料に匹敵するセラミックスの開発(ダイヤモンド,CBN,
BeO,SiC,AlN,TiC)
↓
温度勾配が小さくなるため熱応力も小さくなり耐熱衝撃性が向上
セラミックス材料・・・ 熱応力:σtが大きく、これにより脆性破壊を生じやすい(≡“熱衝撃”)
(αは小さいが、Eと⊿Tが非常に大きく、σtは大となる)
σt  E (弾性率) ⊿T(材料内部の温度差 ) α(熱膨張係数 )
セラミックス
ダイヤモンド1.21×1012
<111>
A l2O 3
4.6×1011
<0001>
M gO
2.45×1011
<100>
N aC l
4.4×1011
<100>
Si3N 4(poly) 3.72×1011
SiC (poly)
5.6×1011
W
Sn
Cu
Zn
Ag
Al
金 属
3.6×1011
5.5×1010
1.25×1011
3.5×1010
8.1×1010
7.2×1010
有機高分子
ポリエチレン 0.12~1.05×109
PM M A
2.5~3.5×109
6.6ナイロン
3.2×109
ポリスチレン
2.2~2.8×109
6ナイロン
2.84×109
ポリプロピレン
1.4×109
表4.2 セラミックスの弾性率(Nm-2)
図4.3
各種材料の熱伝導率(W/m・K)
機械的特性
◎基礎概念[:図4.4,図4.5参照]
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4.4
材料の変形:引張り(a),せん断(b)
,体積圧縮(c)
図4.5 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4.3参照]
: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4.3 各種セラミックス材料と合金鋼のK1C(M・N・m-3/2又はM・Pa・m1/2)
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4.6参照]
・・・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4.6 アルミナセラミックス
曲げ強さと気孔率の関係
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材料工学科2年生 セラミックス