Transcript 材料工学科2年生 セラミックス

セラミックス
第9回 ６月18日(水）
セラミックスの物性
セラミックスの物性
ーセラミックスの材料物性ー
機能大分類：
①
②
③
④
⑤
⑥
熱的機能
機械的機能
生物・化学的機能
電気・電子的機能（含 磁気材料関連）
光学的機能
原子力関連機能
熱的性質
◎セラミックス材料特有の熱的問題点
（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）
線膨張係数
線膨張係数
0-1000℃
0-1000℃
材　料
材料
(cm /cm ℃×104)
(cm /cm ℃×104)
Al2O 3
安定化ZrO 2
8.8
10.0
BeO
9.0
溶融シリカガラス
0.5
M gO
13.5
ソーダ石灰ガラス
9.0
ムライト
5.3
TiC
7.4
スピネル
7.6
磁器
6.0
ThO 2
9.2
粘土質耐火物
5.5
UO 2
Y 2O 3
10.0
9.3
ジルコン
4.2
TiC サーメット
9.0
B 4C
SiC
4.7
4.5
『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
セラミックス材料の問題点
（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･･･ 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）
σt  E(弾性率） ⊿T(材料内部の温度差
) α(熱膨張係数)
セラミックス
ダイヤモンド1.21×1012
<111>
Al2O 3
4.6×1011
<0001>
M gO
2.45×1011
<100>
NaC l
4.4×1011
<100>
Si3N 4(poly) 3.72×1011
SiC (poly)
5.6×1011
W
Sn
Cu
Zn
Ag
Al
金　属
有機高分子
3.6×1011 ポリエチレン 0.12～1.05×109
5.5×1010 PM M A
2.5～3.5×109
1.25×1011 6.6ナイロン
3.2×109
3.5×1010 ポリスチレン
2.2～2.8×109
8.1×1010 6ナイロン
2.84×109
7.2×1010 ポリプロピレン
1.4×109
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）
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）
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
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
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）
Al2O 3
Al2O 3-16%ZrO
TiO 2
安定化ZrO 2
ZrO 2-2%Y 2O 2
ZrO 2-4%Y 2O 3
ZrO 2-10%C aO
ZrO 2-8%M gO
磁器
シリカガラス
TiB 2
3～7
7～17
3
3
6～12
10～20
8～10
6～12
1.3
3
5～6
B 4C
SiC
AlN
Si3N 4
サイアロン
W C -C o
軟鋼
炭素鋼
高張力鋼
マルエージング鋼
1～4
2～5
3
4～7
7
6～7
100～150
235
35
93
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