セラミックス
第10回 6月25日(水)
セラミックスの物性②
補足:
1. アルミナセラミックス・・・酸化物セラミックスの代表
特徴:セラミックスの中で最も使用量が多く、かつ古い歴史をもつ代表的材料
(・・・1930年,ドイツ・ジ-メンス社による自動車用スパ-クプラグ
の絶縁体が最初の実用材料)
主要機能特性[:図1,図2,表1,図3参照]
:①電気・電子的機能,②機械的機能,③熱的機能,
④生物・化学的機能, ⑤光学的機能
図1 アルミナセラミックスの特性と用途
図2 アルミナセラミックスの
高温強度
図3 アルミナセラミックスの
絶縁特性
高純度かつ
微粒が最良
表1 アルミナセラミックスの構造特性
アルミナ含有量
性質
見掛け比重
曲げ強度
[kg/m m 2]
破壊靭性
[kg/m m 3/2]
衝撃強度
[kg]
硬 度
(ロックウェル15N )
耐アルカリ性
[m g/cm 2]
耐酸性
[m g/cm 2]
耐摩耗性
[cm 3]
3.75
99%
(粗粒)
3.94
99%
(微粒)
3.93
37
40
40
52
17
19
21
―
26
1.3
2.2
1.7
―
2.9
94.6
95.5
95.7
96.1
96.9
―
0.42
0.3
0
0.09
―
0.29
0.28
0.02
0.5
0.33
0.31
0.19
0.53
0.16
85%
92%
95%
3.6
3.65
33
応用例
:①電気・電子的機能・・・電気絶縁性(ex.スパ-クプラグ,IC基板,
ICパッケ-ジ)[:図4,図5参照]
②熱的・機械的機能・・・高温高強度特性,耐摩耗性(ex.切削用工具,
エンジン用材料)
③透光性機能・・・単結晶Al2O3(サファイヤ)
:高圧Naランプの発光管,高温用赤外線検知用窓材
単結晶Al2ーxCrxO3(x=0.00067,ルビ-)
:固体レーザー発振素子
④生物・化学的機能・・・生体用材料(耐食性,機械特性,生体適合性良好)
図4 スパ-クプラグの構造
図5 アルミナ製IC基板とICパッケージ
2. ジルコニアセラミックス
ZrO2:1100℃で結晶変態(低温:単斜晶→高温:正方晶)
↓
数%の容積変化の発生(亀裂発生に伴う自己破壊の誘発)
↓
∴安定化剤の添加(CaO,MgO,Y2O3を数%~数十%添加)
・・・室温で立方晶を呈し、高温での結晶変化がない
『安定化ジルコニア(Stabilized Zirconia)』
・・・Zr4+とCa2+,Mg2+,Y3+の置換によって結晶格子中に酸
素イオンが不足し、酸素イオンの伝導体(=『固体電解質』)と
して応用→各種酸素センサ素子[:図6,図7,図8,図9参照]
↓
『部分安定化ジルコニア(PSZ:Partially Stabilized Zirconia)』
・・・正方晶ZrO2(高温安定相),あるいは正方晶ZrO2+立方
晶ZrO2(安定化ZrO2)の混在構造
:強靱,高強度セラミックス材料
[機構]:PSZセラミックスに外力が加えられた場合、正方晶
構造が単斜晶構造に相転移して、外力を相転移の駆動エ
ネルギ-として吸収する
PSZ
∴『結晶転移による強化機構』
:高温・高強度
・・・TTZ(Transformation Toughened Zirconia)
構造材料
特徴:①高強度,高靭性[:図10参照]
②熱伝導率は小さく(断熱性良好)、熱膨張
係数は金属に近い[:図11参照]
Y3+:結合手が3つ
O2-のホールを介した
イオン伝導
(・・・結晶中を移動)
Zr4+:結合手が4つ
O2-: 〃 が2つ
図6 Y2O3添加による
ZrO2の安定化(単斜晶
から立方晶型への相転移)
図7 安定化ZrO2固体電解質を用いた
図8 自動車用排気ガス用
酸素センサの酸素濃度と起電力の関係
酸素センサ素子の構造
E=55.7log10PR/PM
(E:起電力,PR:大気中の酸素濃度,PM:被測定ガスの酸素濃度)
E(O2-のイオン伝導によって生じた起電力) = 55.7log10
PR(大気中のO2量)
PM(測定ガス中のO2量)
図9 ZrO2セラミックス用途
図10 部分安定化ZrO2(PSZ)の強度と破壊靭性
図11 部分安定化ZrO2(PSZ)の熱伝導率と熱膨張係数
ダウンロード

Document