Transcript セラミックス

セラミックス
第5回目
5月 20日（水）
担当教員：永山 勝久
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)
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4 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5 参照 ]
配位数
図4 ダイヤモンド構造
sp
2
sp2
3
sp3
4
sp3d
5
sp3d2
6
sp3d3
7
図5 sp3混成軌道
(配位数と幾何学的な原子結合形状)
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”
図6 立方硫化亜鉛構造
( ：Ⅲ族原子位置， ：Ⅴ族原子位置)
(・・・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
石 器
原 料
熱処理
(焼成）
加 工
(製品化）
伝統的
ニュー
セラミックス セラミックス
天然
天然
人工
天然
人工
人工
天然
人工
人工
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
呼 称
金 属
材 料
金 属
原子間結合
金属結合
共有結合
非金属・
有
プラスチック
ファンデルワールス結
機物
合
イオン結合
非金属・
無
セラミックス
機物・
固体
共有結合
表１．３ 金属とセラミックスの物性比較例
物性
材料
アルミニウム
Al
アルミナ
セラミックス
A l2O 3
金属
融点
[℃]
電気比抵抗
モース硬度
[Ωcm ]
660
2.8×10-8
3以下
2,030
1014以上
9