セラミックス 第9回　６月18日(水） セラミックスの物性.

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1 セラミックス 第9回　６月18日(水） セラミックスの物性

2 セラミックスの物性 ーセラミックスの材料物性ー
①　熱的機能 ②　機械的機能 ③　生物・化学的機能 ④　電気・電子的機能（含　磁気材料関連） ⑤　光学的機能 ⑥　原子力関連機能 機能大分類：

3 熱的性質 ◎セラミックス材料特有の熱的問題点 *)熱衝撃:材料における熱の急激な変化（急激な温度変化)に伴う 脆性破壊現象
（１）熱衝撃による脆性破壊*)・・・セラミックスの特徴（←「セラミックス材料の問題点」） 　「セラミックスの熱膨張係数」［：表4．１参照］・・・金属材料に比べ小さい *)熱衝撃:材料における熱の急激な変化（急激な温度変化)に伴う 　　　　　　脆性破壊現象 表4．１　セラミックス材料の熱膨張係数（線膨張係数）

4 『熱応力の定義』・・・材料内部に温度分布や温度勾配がある時に熱応力を発生 σt＝Ｅ×ΔＴ×α σt：熱応力
　『熱応力の定義』・・・材料内部に温度分布や温度勾配がある時に熱応力を発生 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　σt＝Ｅ×ΔＴ×α 　　　　　　　　　　σt：熱応力 　　　 Ｅ：弾性率(セラミックス：Eは大）：次ページの図（弾性率Eの定義）参照 ΔＴ：材料内部(例えば両表面部）での温度差 　　　　　　　　　　　　　　（セラミックス･･･熱伝導が悪いため、通常ΔTは大） α：熱膨張係数（セラミックス･･･αは小) 　　熱応力の発生要因・・・①脆くて弾性率の大きい材料［：表４．２参照］ 　　　　　　　　　　　　　　　　 ②急激な熱の出入りがある 　　　　　　　　　　　　　 ③熱伝導率が小さくて熱膨張係数の大きい（通常は小）材料 　*)熱応力による脆性破壊［＝熱衝撃］：熱応力が大きくなり、表面での引張り破壊が 　　生じるようになると、亀裂が発生し始め、さらに亀裂が進行して全体の破壊に至る （２）多結晶体固有の異方性に起因した高温焼結後・冷却時に生じる粒界部微小応力 　　　やひずみによる脆性の発生 （３）熱伝導率［：図４．３参照］ 　　　　　・・・金属材料に匹敵するセラミックスの開発（ダイヤモンド，ＣＢＮ， 　　　　　　　　ＢｅＯ，ＳｉＣ，ＡｌＮ，ＴｉＣ） 　　　　　　　　　　　　　　　　　　↓ 　　　　　　　　温度勾配が小さくなるため熱応力も小さくなり耐熱衝撃性が向上 セラミックス材料の問題点

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6 熱応力：σtが大きく、これにより脆性破壊を生じやすい（≡“熱衝撃”）
（αは小さいが、Eと⊿Tが非常に大きく、σtは大となる） セラミックス材料･･･

7 　　表４．２　セラミックスの弾性率（Ｎｍ-2） 図４．３　各種材料の熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）

8 機械的特性 ◎基礎概念［：図４．４，図４．５参照］ 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４．４　材料の変形：引張り（ａ），せん断（ｂ） 　　　　　　　　，体積圧縮（ｃ） 図４．５　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

9 　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４．３参照］ 　　　　　　：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

10 表４．３　各種セラミックス材料と合金鋼のＫ1C（Ｍ・Ｎ・ｍ-3/2又はM・Pa・m1/2）

11 ・・・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４．６参照］ 　・・・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４．６　アルミナセラミックス 曲げ強さと気孔率の関係