セラミックス 第6回 5月21日(水) セラミックスの分類について①.

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セラミックス 第6回 5月21日(水) セラミックスの分類について①

表1.4 ニュ-セラミックスの機能・材料・応用製品

セラミックスの種類と用途 セラミックス材料の大分類:(1)酸化物系セラミックス                  (2)非酸化物系セラミックス

2.1 酸化物系セラミックス 代表的な材料(金属酸化物を原料としたもの)    :Al2O3(アルミナ),ZrO2(ジルコニア),MgO(マグネシア),     BeO(ベリリア),ThO2(トリア),UO2(ウラニア)・・・ 核燃料

アルミナAl2O3 ①Alの酸化物を精製・調整し焼結したもの ②電気絶縁性,耐熱性,耐食性に優れる ③電子材料の基板として多用される(IC基板、ICパッケージ) ④耐摩耗性を利用した軸受け,シャフト ⑤化学的安定性,生体組織適合性を利用した人工骨, 人工歯,人工関節などの生体材料 ⑥軽量性とダイヤモンドに次ぐ高硬度 ⑦成形・加工の容易さ(マシナブル・セラミックス) 図 アルミナ製品

ジルコニアZrO2 ①耐熱性と耐食性に優れる(→溶融金属,ガスなどに反応しない) ②純物質状態では高温での結晶変態に伴う破壊を誘発するため、 Mg,Ca,希土類金属等活性金属 ①耐熱性と耐食性に優れる(→溶融金属,ガスなどに反応しない) ②純物質状態では高温での結晶変態に伴う破壊を誘発するため、  安定化剤(酸化カルシウム)を添加して焼結し、安定化ジルコニア  として高温発熱体等に利用            (→酸素イオン伝導体→固体電解質:「燃料電池」) ③キュービックジルコニアCZは光の屈折率が2.17と天然ダイヤモンド の2.47に近いためダイヤモンドの代用品として用いられている 図 Cubic ZrO2 図 ジルコニア耐熱材料

他の酸化物系セラミックス (a) マグネシアMgO ①透過性セラミックスの代表的材料 (→高圧ナトリウム灯用発光管に利用) ②熱膨張率が大きく、Pt,Niや希土類金属用 の溶融用ルツボとして多用 (b) ベリリアBeO :熱伝導率に優れかつ絶縁性が良好であるため  IC回路の放熱板に利用(ただし金属Beとともに  毒性がある) (c) チタニアTiO2 :硬度,引張り強さが顕著に大きい 耐高温、高強度 ジェット機用窓ガラス (cf.修正液、修正テープ、白色塗料)

:チタニア(TiO2)を炭酸バリウムと反応させて焼結したもの で、誘電率*)が大きく、コンデンサ材料の代表的材料として多用 (f) チタン酸バリウム BaTiO3 :チタニア(TiO2)を炭酸バリウムと反応させて焼結したもの で、誘電率*)が大きく、コンデンサ材料の代表的材料として多用  *)誘電体・・・電圧を付加した時には定常電流は流れないが、 電荷を蓄積することのできる材料[:コンデンサ]   誘電率:ε(比例定数)・・・D=εE   電束密度:D(・・・誘電体により形成されたコンデンサの単位 面積当りに蓄積される電荷量)   電界:E[V/m] 電磁気学の基礎 図 セラミックコンデンサ(・・・電子製品、IT産業に不可欠

2.2 非酸化物系セラミックス 代表的な材料(人工的に合成した新しい無機物を原料をとしたもの)  :Si3N4(窒化ケイ素),SiC(炭化ケイ素),BN(窒化ホウ素), ZrC(炭化ジルコニウム),C(ダイヤモンド),炭素繊維                              ・・・フラーレンC60  カーボンナノチューブ 代表的な特性:共有結合が支配的であるため、高温強度・脆性に優れる 物質中最も強い化学結合 セラミックス最大の弱点

(a) 窒化ケイ素Si3N4 高温での変形が金属とは異なり小さい 金属と同等 ①熱膨張率が小さく、かつ熱伝導率が大きいため、熱衝撃に強い ②高温強度は1473Kで約700MPa以上を示すため、  各種耐熱材料以外に高温用機械部品材としの応用が期待     (:切削工具,ガスタ-ビンの回転軸など      ・・・cf.Niタ-ビン用基耐熱合金:1366K-300MPa          (ジェット機のタービンブレード  ・・・金属の2倍以上)                      の代表材料)    セラミックス高温高強度材料の代表的物質 「セラミックスエンジン材料」

(b) 炭化ケイ素SiC ①伝熱性に優れるため、高性能IC基板に利用 ②硬度が大きい ③Si3N4同様耐熱材料として期待 ④抵抗発熱体(通電により材料自体が高抵抗に起因して 発熱し高温になるもの)→セラミックスファンヒーター                   溶解用ヒーター ⑤焼結性が悪い

(c) 窒化ホウ素BN ①六方晶,立方晶の2つの結晶構造を有する ②実用型としてcBN(Cubic Boron Nitride)が多用される ・・・ダイヤモンドに次ぐ硬度を有する   高温下において切削工具材料として期待              →セラミックス機械構造用材料 ③cBNの製造法・・・h(Hexagonal)BNを2273K-5000気圧              の高温・高圧下で焼結 *h-BN・・・半導体SiへのB添加(拡散)材料       活性金属溶融用ルツボ

ファインセラミックスの製造法

ニュ-セラミックスの特性支配因子 (組成と構造)  セラミックスの特性[:図2.1参照]   構造特性・・・内部の気孔,粒子サイズ等のマクロ因子に依存[:構造敏感]   機能特性・・・原子配列,原子価,イオン半径,電子状態等のミクロ因子に依存 図2.1 セラミックスの特性支配因子