セラミックス
第5回目
5月 14日(水)
担当教員:永山 勝久
(3)共有結合 (最も強固な化学結合)
◎ 共有結合 ・・・ 1つの原子が所有する孤立電子 (不対電子) と,周囲の隣接原子
[定義]
が有する孤立電子との間で,スピンの向きを逆にして安定な電子
(半導体,
対を形成することによって生じる化学結合形成
非酸化物系
セラミックスの
隣接原子間で
結合様式)
= N
Si
Si
S ス
電子
ピ 磁気
Si
Si
・窒化物
Si
= S ン 双極子
N
・ホウ化物
Si
安定な電子対(+,-のスピン
・炭化物
Si
の結合)
Si
Si
Si
Si4+ : 4価
周囲に4個のSi原子
Si
Si
図4 Si結晶の共有結合
反平行スピン = (安定な電子対)
異極結合
安定
=
←電子雲どうしの結合
(a)
(b)
電子を共有する
安定結合 = 「共有結合」
電子雲どうし
同極結合 不安定(反発)
の反発
図5 反平行(a),平行(b)スピン間における2原子間の電子密度分布
平行スピン = (不安定電子対)
共有結合の特徴 : 特定の原子・原子間 での強い結合力であるため、方向によって
結合力は異なる(・・・異方性が大きい結合力)
共有結合>イオン結合,金属結合
[共有結合性結晶の特徴] : ①融点が高い
②硬度が大きい
③高強度
④原子間結合に異方性があるため,特定面で割れる
⑤拡散係数が小さい (物質中の原子移動が困難)
[代表的な共有結合性物質] ・・・ Ⅳ族元素 : C,Si,Ge,Sn
原子配列 : ダイヤモンド構造 [ : 図6 参照 ]
・・・一つの原子の周囲に4つの原子が存在し,正四面体を形成
中心の原子と四面体頂点の各原子が互いに4個の外核電子を出し合って,かつ
スピンが逆向きの電子対を形成 = 『sp3混成軌道』 [ : 図7 参照 ]
配位数
図6 ダイヤモンド構造
sp
2
sp2
3
sp3
4
sp3d
5
sp3d2
6
sp3d3
7
図7 sp3混成軌道
(配異数と幾何学的な原子結合形状)
半導体物質 ← (共有結合性物質の代表)
◎半導体の推移
・最初のトランジスタ ; Ge (Ⅳ族元素) : Ge4+
共有結合性結晶
・現在の半導体 ; Si (Ⅳ族元素) : Si4+
・今後の半導体 ; GaAs,InP (化合物)
(Ⅲ‐Ⅴ族化合物)
Ga,In ・・・ 3族元素
As,P ・・・ 5族元素
平均の原子価 : 4価 ⇒ Ge,Siと同様
=
GaAs,InP ・・・ 立方硫化亜鉛構造 <4面体構造を4つ有する>
(四面体構造を構成要素にもつ,立方晶型結晶)
(InSb)
ダイヤモンド結晶に類似
共有結合性結晶
四面体構造 が構成要素
“4配位構造”
図6 立方硫化亜鉛構造
( :Ⅲ族原子位置, :Ⅴ族原子位置)
(・・・Ga,In)
(・・・As,P)
『ニューセラミックスの概要』
ニュ-セラミックス・・・金属,プラスチックスに次ぐ第3の工業素材
歴史的背景:伝統的セラミックスからニュ-セラミックスへの変革[:図1.1参照]
①伝統的セラミックス・・・『セラミックスの石器時代』
:石器(地球が作った天然のセラミックス)→土器(火の発見(~800万年前)に起因
して人間が人工的に作った最初のセラミックス)
→陶磁器(窯業製品、珪酸塩工業製品)
②ニュ-セラミックス(ファインセラミックス)・・・『ニュ-石器時代(現代社会)』
①と②の決定的相異点[:表1.1参照]
伝統的セラミックス・・・天然原料,ニュ-セラミックス・・・人工原料
↓
『ニュ-セラミックスの概念的定義』
:精製,精密に調整された化学組成かつ微細均一粒子からなる人工原料を
使って、高度に制御された成形法及び焼結法による焼成品
∥
新しい機能を有する材料(構造的特性,機能的特性)に発展
表1.1 ニュ-セラミックスとオールド
セラミックスの比較
石 器
原 料
熱処理
(焼成)
加 工
(製品化)
伝統的
ニュー
セラミックス セラミックス
天然
天然
人工
天然
人工
人工
天然
人工
人工
図1.1 伝統的セラミックスからニュ-セラミックスへの変革
『セラミックス』の学術的定義・・・『非金属無機固体材料』[:表1.2参照]
元素の分類:(1)金属性元素 (ex.Al,Zr,Ti,Pbなど)
(2)半金属性元素(ex.B,C,Siなど)
(3)非金属性元素(ex.O,N,F,S,Clなど)
非金属無機固体材料の定義(分類)
:①半金属性元素により構成される物質
(ex.ダイヤモンド,カ-ボン繊維,半導体Si,C60,ナノチューブなど)
②半金属性元素と金属元素及び
半金属元素と非金属性元素間の化合物
(ex.炭化ケイ素SiC,窒化ケイ素Si3N4,
窒化アルミAlN,炭化チタンTiCなど)
③金属性元素と非金属性元素間の化合物[:表1.3参照]
(ex.アルミナAl2O3,ジルコニアZrO2,
シリカSiO2,チタニアTiO2など)
表1.2
金属,プラスチックス,セラミックスの比較
呼 称
金 属
材 料
原子間結合
金 属
金属結合
共有結合
非金属・
有
プラスチック
ファンデルワールス結
機物
合
イオン結合
非金属・
無
セラミックス
機物・
固体
共有結合
表1.3
金属とセラミックスの物性比較例
物性
材料
アルミニウム
Al
アルミナ
セラミックス
A l2O 3
金属
融点
[℃]
電気比抵抗
モース硬度
[Ωcm ]
660
2.8×10-8
3以下
2,030
1014以上
9
日本
ニュ-セラミックス
(新しいセラミックス)
ファインセラミックス
(微細緻密・精密なセラミックス)
アメリカ
High Technology Ceramics
(高い技術を有するセラミックス)
Advanced Ceramics
(先端技術のセラミックス)
↓
高度な技術を取入れた先端素材・応用産業 [:図1.2,表1.4参照]
∴ニュ-セラミックス製品
・・・知識集約的製品(高付加価値,省エネルギ-的製品)
[:図1.3参照]
図1.2 我が国のニュ-セラミックス
の用途別市場規模
図1.3 ニュ-セラミックスの応用製品例
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共有結合