Transcript セラミックス
セラミックス 4月 18日（水） 担当教員：永山 勝久 構成 1. 2. 3. 4. 5. はじめに ニューセラミックスとは セラミックスの構造 イオン結合と共有結合 補章『ニューセラミックス』の概要 1．はじめに･･･ セラミックス（ｃｅｒａｍｉｃｓ）とは何か？ 陶磁器のように昔から使われている材料であるが、 先端科学・工学技術（ハイ・テクノロジ－ ex. IT産業） を支える基盤材料に移行・展開 IT：Information Technology：情報・通信技術 セラミックス材料の変革 ○窯炉材料（炉内レンガ） ○建築材料（屋根瓦） ○家庭用品（食器・陶磁器） ：窯業製品（従来型用途） （クラシックセラミックス） ニュ－セラミックス〈次世代の材料へ〉 代表例：絶縁用ガラス〈電気工学用〉→ＩＣ基板 ICパッケージ 〈電子工学用先端材料〉 学問から見たセラミックスの現状 問題点 合成 (製造) 有機材料（ポリマー；プラスチック、ゴム材料） のようなミクロ結合（原子、分子結合）制御が 困難 物性 (特性) 金属材料のような特性と構造の関係が不明確 ＜構造特性＞ 先端セラミックス(ニューセラミックス)材料の現状 ・・・主な用途・応用分野 ①電子・磁気材料関連 ・・・半導体、誘電体、コンデンサ、IC基板、ICパッケージ ②光通信用オプティカルファイバ－・・・超高純度シリカ（ＳｉＯ2） ③レーザー発振子（発振源）・・・超高純度セラミックス単結晶 (ex.ルビーレーザー) ④高温高強度セラミックス・・・自動車用エンジン材料 (;ハイブリッドカー用) (ジェットエンジン材料・・・タービンブレード） 航空・宇宙用材料 セラミックス材料の今後 酸化物系超伝導材料 （ex.Bi-Sr-Ca-Cu-O系） ①エネルギ－ （：セラミックス高温超伝導材料） 「燃料電池」としてのセラミックスの応用 ②生命科学 （：生体用材料・・・人工骨，弁，関節，歯） ③原子力工学（：原子炉用材料） 高温高強度特性 対中性子特性 ④宇宙工学 （ :スペースプレーン，宇宙ステ－ション用材料） (エンデバー号の主要材料) スペースプレーン ；次世代航空機 （「宇宙材料実験」における主要研究対象材料） 2.ニュ－セラミックス（ファインセラミックス）とは オ－ルドセラミックスとは？ 窯業製品：陶磁器，ガラス，セメント 無機物系原料を熱加工した“焼き物”の総称 脆くて割れ易いという致命的欠点を有する 天然の無機物原料を焼結 図：マイセンのティーカップ ニュ－セラミックスとは？ 原料自体を人工的に合成し、高純 度かつ微細均質化した無機化合 物（ファインセラミックス）化合物を 精密な製造・加工工程を用いて焼 結したもの ①高温でも硬い，②燃えない，③錆びない，④圧力を加えると電 気を通すなどの優れた機能を有する新しい材料の誕生 ※セラミックス原料・・・ ①高純度(～99.9%以上) ②粒子径の微細化（：０．２μｍ程度） →粒径の微細化に伴う表面エネルギ－の増大を利用して 焼結性の向上とセラミックス製品自体の緻密化を促進 ｃｆ．ファインセラミックス（Fine Ceramics）＝微細結晶粒セラミックス 3.セラミックスの構造 単結晶体と多結晶体について 図：セラミックスの単結晶と多結晶の構造概念図 （ａ）単結晶体・・・結晶中の原子配列が連続で、一つの面方位のみ有する結晶 (ex.半導体Si) （ｂ）多結晶体・・・種々の大きさの結晶粒の集合体で、結晶粒同士の結合界面には 結晶粒界(非整合部分)が形成される(:通常の材料) 多結晶体・・・種々の大きさの結晶の集合体で、結晶粒同士の結合界面には 結晶粒界が形成される 結晶粒界は異なった方位を有する結晶の結合部分(非整合部)であるため、 非整合界面に起因する格子欠陥や格子ひずみなどが発生し、かつ不純物が 偏析する 多結晶体の一般的組織構造 (粒界、粒内） ：①気孔（pore）が存在する ②不純物を構成主元素とした ガラス相の形成（:焼結部分液相化） ③冷却時に形成された微小亀裂 （凝固収縮に伴う結晶粒の異 方性により生じる微小割れ） 多結晶体中の構造欠陥（:結晶粒界， 気孔，微小亀裂，ガラス相） ↓ 強度特性を劣化させるため、高強度 図： 多結晶体の微細構造 セラミックス材料では気孔を減少さ せ、結晶粒を微細化させる