セラミックス
4月 18日(水)
担当教員:永山 勝久
構成
1.
2.
3.
4.
5.
はじめに
ニューセラミックスとは
セラミックスの構造
イオン結合と共有結合
補章『ニューセラミックス』の概要
1.はじめに・・・
セラミックス(ceramics)とは何か?
陶磁器のように昔から使われている材料であるが、
先端科学・工学技術(ハイ・テクノロジ- ex. IT産業)
を支える基盤材料に移行・展開
IT:Information Technology:情報・通信技術
セラミックス材料の変革
○窯炉材料(炉内レンガ)
○建築材料(屋根瓦)
○家庭用品(食器・陶磁器)
:窯業製品(従来型用途)
(クラシックセラミックス)
ニュ-セラミックス〈次世代の材料へ〉
代表例:絶縁用ガラス〈電気工学用〉→IC基板
ICパッケージ
〈電子工学用先端材料〉
学問から見たセラミックスの現状
問題点
合成
(製造)
有機材料(ポリマー;プラスチック、ゴム材料)
のようなミクロ結合(原子、分子結合)制御が
困難
物性
(特性)
金属材料のような特性と構造の関係が不明確
<構造特性>
先端セラミックス(ニューセラミックス)材料の現状
・・・主な用途・応用分野
①電子・磁気材料関連
・・・半導体、誘電体、コンデンサ、IC基板、ICパッケージ
②光通信用オプティカルファイバ-・・・超高純度シリカ(SiO2)
③レーザー発振子(発振源)・・・超高純度セラミックス単結晶
(ex.ルビーレーザー)
④高温高強度セラミックス・・・自動車用エンジン材料
(;ハイブリッドカー用)
(ジェットエンジン材料・・・タービンブレード)
航空・宇宙用材料
セラミックス材料の今後
酸化物系超伝導材料
(ex.Bi-Sr-Ca-Cu-O系)
①エネルギ- (:セラミックス高温超伝導材料)
「燃料電池」としてのセラミックスの応用
②生命科学 (:生体用材料・・・人工骨,弁,関節,歯)
③原子力工学(:原子炉用材料) 高温高強度特性
対中性子特性
④宇宙工学 ( :スペースプレーン,宇宙ステ-ション用材料)
(エンデバー号の主要材料)
スペースプレーン
;次世代航空機
(「宇宙材料実験」における主要研究対象材料)
2.ニュ-セラミックス(ファインセラミックス)とは
オ-ルドセラミックスとは?
窯業製品:陶磁器,ガラス,セメント
無機物系原料を熱加工した“焼き物”の総称
脆くて割れ易いという致命的欠点を有する
天然の無機物原料を焼結
図:マイセンのティーカップ
ニュ-セラミックスとは?
原料自体を人工的に合成し、高純
度かつ微細均質化した無機化合
物(ファインセラミックス)化合物を
精密な製造・加工工程を用いて焼
結したもの
①高温でも硬い,②燃えない,③錆びない,④圧力を加えると電
気を通すなどの優れた機能を有する新しい材料の誕生
※セラミックス原料・・・ ①高純度(~99.9%以上)
②粒子径の微細化(:0.2μm程度)
→粒径の微細化に伴う表面エネルギ-の増大を利用して
焼結性の向上とセラミックス製品自体の緻密化を促進
cf.ファインセラミックス(Fine Ceramics)=微細結晶粒セラミックス
3.セラミックスの構造
単結晶体と多結晶体について
図:セラミックスの単結晶と多結晶の構造概念図
(a)単結晶体・・・結晶中の原子配列が連続で、一つの面方位のみ有する結晶
(ex.半導体Si)
(b)多結晶体・・・種々の大きさの結晶粒の集合体で、結晶粒同士の結合界面には
結晶粒界(非整合部分)が形成される(:通常の材料)
多結晶体・・・種々の大きさの結晶の集合体で、結晶粒同士の結合界面には
結晶粒界が形成される
結晶粒界は異なった方位を有する結晶の結合部分(非整合部)であるため、
非整合界面に起因する格子欠陥や格子ひずみなどが発生し、かつ不純物が
偏析する
多結晶体の一般的組織構造 (粒界、粒内)
:①気孔(pore)が存在する
②不純物を構成主元素とした
ガラス相の形成(:焼結部分液相化)
③冷却時に形成された微小亀裂
(凝固収縮に伴う結晶粒の異
方性により生じる微小割れ)
多結晶体中の構造欠陥(:結晶粒界,
気孔,微小亀裂,ガラス相)
↓
強度特性を劣化させるため、高強度
図: 多結晶体の微細構造
セラミックス材料では気孔を減少さ
せ、結晶粒を微細化させる
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