セラミックス 第１０回　６月　２２日(火） 　セラミックスの物性② 担当教員　永山　勝久.

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1 セラミックス 第１０回　６月　２２日(火） 　セラミックスの物性② 担当教員　永山　勝久

2 電気・電子・磁気的特性 （１）サ－ミスタ（ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒ）*)［：図４．７参照］特性
　　　　　[定義]：温度により材料の電気抵抗値が変化する性質 　　　　　　　　　　　　　　　（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） 　電気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とにより温度を検出するセンサー素子 図４．７　３種類の代表的サ－ミスタ 　　　　　　　の電気抵抗の温度依存性

3 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（ＣＴＲ及びＮＴＣサ－ミスタ 　　　　　　　　　とは逆に、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 　　　　　　　　　　　　（ｅｘ．代表材料：ＢａＴｉＯ3 ・・・セラミックスコンデンサ材料） 　　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

4 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

5 ※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）

6 （２）バリスタ（ｖａｒｉａｂｌｅ ｒｅｓｉｓｔｅｒ）特性 [定義]：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 　[定義]：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４．８，図４．９参照］ 　　・・・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４．８　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４．９　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

7 （３）誘電体特性［：図４．１０参照］ 　　：絶縁体と同等な挙動をとるが、電界を印加した場合に定常電流は流れないが、 　　電荷を蓄積できる特性（コンデンサー特性）を有する材料［：図４．１１，図４．１２参照］ ①常誘電体：誘電率の低い物質［：ＢａＴｉＯ3の高温相（立方晶型）］ ②強誘電体：外部電界によって双極子モ－メントが整列することによって自発分極が 　　　　　　発生し、かつ自発分極の方向が変化できる物質 　　　　　　［：ＢａＴｉＯ3の低温相（正方晶型）］ ③反強誘電体：自発的な双極子の配列が結晶内で平行になるよりも、反平行になる方が 　　　　　　　安定な物質［：ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ3）］ 図４．１０　電界を印加した時の誘電体の分極モデル

8

9 ：誘電率 ：電極面積 ：電極間距離(誘電体の厚さ)

10 　図４．１１　ＢａＴｉＯ3の結晶構造　　　　図４．１２　ＢａＴｉＯ3の誘電率の
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　温度依存性（εa：ａ軸方向の誘電率， 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　εc：ｃ軸方向の誘電率）

11 補足：　ＢａＴｉＯ3，ＳｒＴｉＯ3セラミックス
　高誘電率材料，強誘電体材料の代表・・・小型大容量のセラミックスコンデンサの開発 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　［：図１，図２，表１参照］ 図１　ＢａＴｉＯ3，ＳｒＴｉＯ3セラミックス材料の応用分野

12 図２　ＢａＴｉＯ3セラミックスの比誘電率ε／ε0と誘電損失ｔａｎδ
　　　　　　　の温度特性 　　　　・・・コンデンサの静電容量Ｃ ： Ｃ＝ε・Ａ／ｔ［Ｆ］ 　　　　　　　　　εs：比誘電率（εs＝ε／ε0，ε：誘電率） 　　　　　　　　　ε0：真空中の誘電率（8.854×10-12［Ｆ／ｍ］） 　　　　　　　　　 Ａ：電極面積［ｍ2］， 　　　　　　　　　 ｔ：セラミックス素子の厚さ［ｍ］ 比誘電率が大きいほど、同一形状での大容量のコンデンサとなる 　　　　　　　　　（→同一容量のコンデンサを小型化できる）

13 表１　アルミナ，ジルコニア，チタニア（ＴｉＯ2）とＢａＴｉＯ3，
　　　　　　　　ＳｒＴｉＯ3セラミックスの結晶構造

14 （４）　ＰＺＴセラミックス 　Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3セラミックス［：図４．１３参照］ 　　・・・圧電性セラミックスの代表的材料 　　　　　　基本機能（・・・電気－機械変換素子）［：図４．１４，表４．４参照］ 　　　　　　　：①圧力→電気 　　　　　　 ②電気→振動・変位 　　　　 ③電気→振動→電気 図４．１３　Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3セラミックス ［：ＰＺＴ］の応用例

15 　図４．１４　圧電セラミックスの３種類の基本的機能

16 表４．４　ＰＺＴとＢａＴｉＯ3セラミックスの圧電特性の比較

17 フェライト，酸化鉄セラミックス［：図４．１５，表４．５参照］
（５）　磁性体セラミックス 　フェライト，酸化鉄セラミックス［：図４．１５，表４．５参照］ 軟磁性材料(ソフト） 　　（ex.磁気ヘッド材料) 半硬磁性材料 （セミハード） (ex.磁気記録材料） 硬磁性材料(ハード) (ex.永久磁石) 図４．１５　磁性体セラミックス （フェライト，酸化鉄セラミックス）の用途

18 フェライトの一般式：M・Fe2O4・・・M：2価の金属イオン （M = Mn, Ni, Zn, Ba, Sr,・・・）
表４．５　代表的な鉄酸化物系化合物 α-Hematite γ-Hematite Fe(Fe2O4) 磁鉄鉱，黒鉄 特性良好 (永久磁石) フェライトの一般式：M・Fe2O4・・・M：2価の金属イオン 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（M = Mn, Ni, Zn, Ba, Sr,・・・） **酸化鉄、（磁性体酸化鉄）・・・Fe3O4:マグネタイト 「主な用途」：　①ビデオテープ用磁性体 　　　　　　　　　②音声録音（カセットテープ）用磁性体 　　　　　　　　　③モータ回転用マグネット(ex.PC用ハードディスクドライブモーター) 　　　　　　　　　④スピーカー用マグネット BaO・6Fe2O3 SrO・6Fe2O3 磁気記録用磁性体粉末 現在：CD,MO,MD(光磁気記録用メディア材料 　(※ ビデオテープ、フロッピーディスクは全てγ-Ｆｅ２Ｏ３粉末を使用）

19 『磁性材料（強磁性体材料）の実用的分類』［： 図４．１６　参照］
　　①軟磁性材料（ソフト磁性材料） 　　　・・・保磁力Ｈcが小さく、磁化率χrが大きい（：Ｍ／Ｈが大きい）材料 　　　　　　ｅｘ．磁気ヘッド，トランス用磁芯材料 　　②硬磁性材料（ハ－ド磁性材料） 　　　・・・保磁力Ｈcが大きく、かつ飽和磁化ＭS，残留磁化Ｍrが共に大きい材料 　　　　　　ｅｘ．永久磁石材料 　　③半硬磁性材料（セミ・ハ－ド磁性材料） 　　　・・・①と②の中間的性質を示す磁性材料 　　　　　　ｅｘ．磁気記録用材料：磁気テ－プ材料，磁気ディスク材料，垂直磁気 　　　　　　　　　　　　　　　　　記録材料，光磁気記録材料 Ｂ：磁束密度［単位：Ｇａｕｓｓ］ （強磁性体中の磁化の大きさＭと 外部磁場Ｈの両者を合せた物理量） 　　図４．１６　磁性材料とＢ－Ｈヒステリシス曲線 　　①磁芯材料，②永久磁石材料，③磁気記録材料

20 『強磁性体の特徴』 　　：外部磁場に対し、特有の磁化挙動を呈する 　　　　　　↓ 　“磁化曲線＝ヒステリシス曲線”［：図４．１７参照］ 　　・・・強磁性体の単位体積当りの磁化の大きさＭの外部磁場Ｈによる変化を示す 　　磁化Ｍ：原子の孤立電子（不対電子）によって発生する磁気モ－メントの総和 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（結晶を構成する不対電子を有する全原子の和） 　　磁場Ｈ：外部より印加する磁場

21 ◎強磁性体の磁化過程 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　①：最初の状態（Ｈ＝０，Ｍ＝０） 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　②：初磁化過程 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（χr：磁化率，ＭS：飽和磁化） 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　③：外部磁場を取りさった状態 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（Ｍr：残留磁化（Ｈ＝０）） 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　④：－ＨCの磁場でで強磁性体の磁化 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　は完全にゼロになる（Ｈc：保磁 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　力） 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　⑤：②とは反対方向に飽和磁化した状 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　態 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　⑥：③とは反対方向に生じた残留磁化 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　⑦：④とは反対方向のＨc 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　⑧：②と同一方向への飽和磁化状態 図４．１７　ヒステリシス曲線（Ｍ－Ｈ曲線）　　［・・・ヒステリシス曲線は閉じる］ 注）χr：強磁性体に磁場を印加した時の最初の傾き［・・・磁化率χr＝Ｍ／Ｈ］ 　　ＭS：強磁性体内の全ての磁気モ－メントが印加磁場（外部磁場）方向に配列し 　　　　 た時に生じる磁化［・・・飽和磁化］ 　　Ｍr：飽和磁化状態にある強磁性体に逆方向の磁場を印加し、Ｈ＝０で強磁性中 　　　　 に残存する磁化［・・・残留磁化］ 　　Ｈc：強磁性体中に残存したＭrを消すために必要な過剰な磁場

22 補足： 【磁性の基礎】 （１）磁性の分類［：表１参照］ ：原子固有の不対電子*)のスピン（電子の自転）による磁気モ－メントの配列の
　　：原子固有の不対電子*)のスピン（電子の自転）による磁気モ－メントの配列の 　　仕方で、磁性は分類される 　　　*) 不対電子を有する原子 　　　　　 ・・・Fe族3d遷移金属［：26Fe，27Co，28Ni］＋4f 希土類金属64Gd 　　　　　　　　 ↓ 　　　『磁性現象を示す原子』 　①常磁性　　：不対電子による磁気モ－メントがバラバラの方向をとるもの 　②反強磁性　：２つの磁気モ－メントが、完全に正・負を打消すように配列 　③フェリ磁性：反強磁性と同じ配列をするが、２つの磁気モ－メント間に大きさの 　　　　　　　　差があり、ある方向に強い磁性を示す 　④強磁性　　：全ての磁気モ－メントが外部磁場によって完全に１つの方向に揃い、 　　　　　　　　強い磁性を示す（→“実用的な磁性”）

23 　　表１　磁性の分類