セラミックス 第1１回目 ７月４日(水）

機械的特性 ◎基礎概念［：図１８．４，図１８．５参照］ 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１８．４　材料の変形：引張り（ａ），せん断（ｂ） 　　　　　　　　，体積圧縮（ｃ） 図１８．５　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１８．３参照］ 　　　　　　：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１８．３　各種セラミックス材料と合金鋼のＫ1C（ＭＮｍ-3/2）

・・・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１８．６参照］ 　・・・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１８．６　アルミナセラミックス 曲げ強さと気孔率の関係

電気的特性 （１）サ－ミスタ（ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒ）*)［：図１８．７参照］特性 [定義]：温度により材料の電気抵抗値が変化する性質 　　　　　[定義]：温度により材料の電気抵抗値が変化する性質 　　　　　　　　　　　　　　　（温度調整、測定用の温度センサー用素子） 　　①ＣＴＲサ－ミスタ（critical temperature controler）：臨界温度サ－ミスタ 　　②ＮＴＣサ－ミスタ（negative temperature controler） 　　③ＰTCサ－ミスタ（positive temperature control thermistor） *)ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒ （：thermally sensitive resistor） 　抵抗の特異な温度依存性を利用して、材料の電気抵抗を測定するこによって温度を検出するセンサー素子 図１８．７　３種類の代表的サ－ミスタ 　　　　　　　の電気抵抗の温度依存性

①ＣＴＲサ－ミスタ：結晶の構造変化が生じる相転移点で抵抗が急激に低下する材料 　　Ｖ2Ｏ5：８０℃以下（単斜晶系）では抵抗が負の温度係数を持った半導体 　　　　 ８０℃以上（ルチル構造：正方晶系）では電気伝導度が２ケタ以上増加 （抵抗が急激に減少）し、金属的挙動［温度の増加につれ抵抗は増加す る・・・抵抗：正の温度係数］を示す 　　応用：温度スイッチなどの各種センサ材料 ②ＮＴＣサ－ミスタ：抵抗が温度上昇に伴って単調（指数関数的）に減少する材料 　　　　　　　　　　（ＣＴＲサ－ミスタとは異なり、相転移には無関係） 　　不純物注入型遷移金属酸化物（Ｆｅ2Ｏ3－Ｔｉ系，ＮｉＯ－Ｌｉ系）， 　　ＺｒＯ2－Ｙ2Ｏ3系，ＳｉＣなど 　　応用：ダイオ－ド，ヒュ－ズ，各種温度スイッチ類など ③ＰTCサ－ミスタ：相転移点で抵抗が急激に上昇する材料（ＮＴＣサ－ミスタとは 　　　　　　　　　異なって、抵抗は温度上昇に伴って増加し、かつＣＴＲサ－ミ 　　　　　　　　　　スタ同様結晶の相変化に起因する） 　　　　　　　　　　・・・正方晶－立方晶変態に伴う抵抗変化 　　ドナ－イオンの注入：ｎ型［ＢａＴｉＯ3＋Ｌａ3+，Ｃｅ3+（Ｂａ2+と置換）］ 　　　　　　　　　　　　ｐ型［ＢａＴｉＯ3＋Ｎｂ5+（Ｔｉ4+と置換）］ 　　応用：電圧異常と回路の短絡保護材料・・・大電流が流れると、サ－ミスタの温 　　　　　度が上昇し，抵抗値が増加し電流量を低下させる

サーミスタ(Thermistor, Thermally sensitive resistor)の種類 NTCサーミスタ（Negative Temperature Coefficient) :温度が上昇すると抵抗値が連続的に減少する (2)PTCサーミスタ（Positive Temperature Coefficient) :温度が上昇すると特定の温度以上で抵抗値が 　　　　　　　　急激に増加するサーミスタ (3)CTRサーミスタ（Critical Temperature Thermistor) :温度が上昇すると抵抗値が急激に減少する

※NTCサーミスタ（温度制御用センター素子として多用)の 温度と抵抗値の関係式 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　温度と抵抗値の関係式 R:温度Tにおける抵抗値 T:温度(K) R0:基準温度T0における抵抗値 T0:基準温度(K)　(一般に25℃(=298K)を使用） B:定数 [身近な用途]　電子体温計、冷蔵庫、冷凍庫、エアコンの制御用温度センサー 　　　　　（その他：OA機器、カーエアコン、自動車エンジン用温度計(センサー）

（２）バリスタ（ｖａｒｉａｂｌｅ ｒｅｓｉｓｔｅｒ）特性 ：電流－電圧特性が非直線的なセラミックス半導体材料 （２）バリスタ（ｖａｒｉａｂｌｅ　ｒｅｓｉｓｔｅｒ）特性 　　：電流－電圧特性が非直線的なセラミックス半導体材料 　　（電圧が増加すると抵抗が急減し、非オ－ム則を示す材料） 　　［：図１８．８，１８．９参照］ 　　・・・低電圧ではバリスタは温度依存性が小 　　　　　さいが、ある臨界降伏電圧ＶBで突然 　　　　　抵抗値が消失し電流が急激に増加する ※V=IRに従わない 　図１８．８　ＺｎＯバリスタの典 　　　　　　　型的なＩ－Ｖ特性 　　　　（電流はＶBで急速に増加）　　　　　　　図１８．９　ＺｎＯとＳｉＣのバリスタ特性 　用途：①整流器で発生する異常電圧から、回路素子を保護 　　　 　②落雷，高電圧の流入による電気回路の破壊防止用