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 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 図３ アルミナセラミックスの 高温強度 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
：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］ 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）』 ↓ 『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 ∴『結晶転移による強化機構』 ・・・ＴＴＺ（Transformation Toughened Zirconia） 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］ PSZ ：高温・高強度 構造材料 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） 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） Zr4+：結合手が4つ O2-： 〃 が2つ
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） PR(大気中のO2量) E(O2-のイオン伝導によって生じた起電力) = 55.7log10 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