セラミックス 第5回目 5月　１４日（水）　 担当教員：永山　勝久

(3)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4　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5　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6 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7 参照 ] sp sp2 sp3 sp3d sp3d2 sp3d3 配位数 2 3 5 6 7 4 図7　sp3混成軌道 　　　(配異数と幾何学的な原子結合形状) 図6　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，カ－ボン繊維,半導体Si,C60,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．炭化ケイ素ＳｉＣ，窒化ケイ素Ｓｉ3Ｎ4, 窒化アルミAlN,炭化チタンTiC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など）

表１．２　金属，プラスチックス，セラミックスの比較 表１．３　金属とセラミックスの物性比較例

ニュ－セラミックス Ｈｉｇｈ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｅｒａｍｉｃｓ （新しいセラミックス） （高い技術を有するセラミックス） 　　日本　　　　　　　　　　　　　　　 アメリカ 　　ニュ－セラミックス　　　 Ｈｉｇｈ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｅｒａｍｉｃｓ 　　（新しいセラミックス）　 （高い技術を有するセラミックス） 　　ファインセラミックス　　 Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｃｅｒａｍｉｃｓ 　　（微細緻密・精密なセラミックス）　 （先端技術のセラミックス） 　　　　　　　　　　　　　 ↓ 　　高度な技術を取入れた先端素材・応用産業 ［：図１．２，表１．４参照］ 　∴ニュ－セラミックス製品 　　　・・・知識集約的製品（高付加価値，省エネルギ－的製品） 　　　　　　［：図１．３参照］ 図１．２　我が国のニュ－セラミックス の用途別市場規模

図１．３　ニュ－セラミックスの応用製品例