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 ① 熱的機能 ② 機械的機能 ③ 生物・化学的機能 ④ 電気・電子的機能（含 磁気材料関連） ⑤ 光学的機能 ⑥ 原子力関連機能 機能大分類：
熱的性質 ◎セラミックス材料特有の熱的問題点 *)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 （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）
『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 『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 （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 セラミックス材料の問題点
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） セラミックス材料･･･
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） 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）
・・・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 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