セラミックス 第6回目 5月　25日（火）　 担当教員：永山　勝久

イオン結合の特徴(：熱伝導機構) (高熱伝導性セラミックスと非熱伝導性セラミックス) ◎イオン結合性結晶 (セラミックス) の熱伝導機構 cf. 金属材料 熱伝導媒体 ・・・ 『フォノン(phonon)』 自由電子が 　熱の伝導体 ○結晶中で規則配列する原子を “格子” と考え，格子位置での 原子の振動エネルギーを 「フォノン」 と定義 ( フォノン ・・・ “格子の振動” をエネルギーを持った 粒子 と仮定) = (振動子) 『量子』 熱伝導機構 ・・・ 「アインシュタイン・モデル(バネ・モデル)」 (図 参照) ① 物体を端面 (片側) 加熱 ② 加熱面での原子振動の増大 (軽元素ほど大きい) ③ 隣接正負イオン間でのイオン結合を介して，格子振動が 　伝播 (フォノンの伝播) ・・・“格子振動による伝播” ◎ 軽元素ほど格子振動は大きく、その伝播は容易 熱伝導率 ； Al2O3 (約20W/m・k，Al原子量 : 27 ) ZrO2 (約 4W/m・k，Zr原子量 : 91 ) 5分の１

アインシュタイン・モデル (a) (b) 熱伝導は容易 ＜熱伝導率 ： 小＞ バネ 端面 バネ 加熱 加熱 軽元素 ・・・ 格子振動は大 重元素 ・・・ 格子振動は小 ＜熱伝導率 ： 小＞ 図3　熱伝導のモデル (アインシュタイン・モデル) ： 結晶の左端から右端への 　　　　　加熱に伴う格子振動に伴う熱伝導現象の説明 (a) 軽元素 (振動大，高熱伝導性) ， (b) 重元素 (振動小)

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 　　　　　　　　　　　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 　　　　　　　　　　　対を形成することによって生じる化学結合形成 [定義] (半導体， 非酸化物系 セラミックスの 結合様式) 隣接原子間で N Si ＝ S スピン 電子 磁気 　双極子 S ・窒化物 ・ホウ化物 ・炭化物 ＝ N 安定な電子対(＋，－のスピン 　　　　　　　　　　　　　　の結合) Si4+ ： 4価 周囲に4個のSi原子 図2　Si結晶の共有結合 電子を共有する (a) ←電子雲どうしの結合 = 反平行スピン = (安定な電子対) 異極結合　　安定 安定結合 = 「共有結合」 (b) 電子雲どうし 　　　の反発 同極結合　　不安定（反発） 平行スピン = (不安定電子対) 図3　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

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) 　　　　　　　　　　　　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4 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5 参照 ] sp sp2 sp3 sp3d sp3d2 sp3d3 配位数 2 3 4 5 6 7 図5　sp3混成軌道 　　　(配位数と幾何学的な原子結合形状) 図4　ダイヤモンド構造

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 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” (　：Ⅲ族原子位置，　：Ⅴ族原子位置) 図6　立方硫化亜鉛構造 (・・・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 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，半導体Si，カ－ボン繊維，炭化ケイ素SiC， 　　　　　　　　　　　　　　　　　フラーレンC60, カーボンナノチューブ 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．炭化チタンTiC，窒化ケイ素Si3N4, 窒化ホウ素BN 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，MOx（M=U，Pu）, 窒化アルミAlN など）