Transcript セラミックス
セラミックス 第６回 ５月２７日(水） 日本 ニュ－セラミックス （新しいセラミックス） ファインセラミックス （微細緻密・精密なセラミックス） アメリカ Ｈｉｇｈ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｅｒａｍｉｃｓ （高い技術を有するセラミックス） Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃｓ （先端技術のセラミックス） ↓ 高度な技術を取入れた先端素材・応用産業 ［：図１．２，表１．４参照］ ∴ニュ－セラミックス製品 ・・・知識集約的製品（高付加価値，省エネルギ－的製品） ［：図１．３参照］ 図１．２ 我が国のニュ－セラミックス の用途別市場規模 表１．４ ニュ－セラミックスの機能・材料・応用製品 機能大分類 熱的機能 機械的性質 生物・ 化学的 機能 電気・ 電子的 機能 光学的機能 原子力関連 機能 機 能 酸化物セラミックス 非酸化物セラミックス 応用製品例 A l2O 3 SiC ,Si3N 4 耐熱性 耐熱構造材 ZrO 2,SiO 2 断熱性 C 各種断熱材 伝熱性 B eO SiC (+ B eO ) 基板 A l O 硬質・ 耐磨性 SiC メカニカル・ シール・ リング 2 3 A l2O 3 切削性 TiC ,TiN 切削工具 B 4C ,ダイヤモンド 研磨性 ― 砥石，研磨材 A l2O 3，アパタイト 生体適合性 ― 人工骨 坦体性 コーディライト ― 触媒担体 A l2O 3 B N ,TiB 2,Si3N 4 耐食性 耐食部品 A l2O 3 絶縁性 SiC (+ B eO ) IC 基板，パッケージ ZrO 2 SiC ,M oSi2 導電性 抵抗発熱体 ZrO 2,B aTiO 3 誘電性 ― コンデンサ イオン伝導性 ZrO 2,β-A l2O 3 ― 酸素センサ，電池 SnO 2,ZnO -B i2O 3 半導性 SIC ガス・ センサ，バリスタ 圧電性 P ZT,ZnO ― 着火素子，発振子 (Zn, M n)Fe O 磁性 ― 磁心，記憶素子 2 4 Y 2O 3 蛍光性 ― 蛍光体 A l2O 3 透光性 ― N aランプ 偏光性 P LZT ― 偏光素子 SiO 2 導光性 ― 光ファイバ UO 2 原子炉材 UC 核燃料 減速材 B eO C 減速材 B 4C 制御材 ― 制御材 図１．３ ニュ－セラミックスの応用製品例 セラミックスの種類と用途 （－代表的なセラミックス材料－） セラミックス材料の大分類：（１）酸化物系セラミックス （２）非酸化物系セラミックス 1． 酸化物系セラミックス 代表的な材料（金属酸化物を原料としたもの） ：Ａｌ2Ｏ3（アルミナ），ＺｒＯ2（ジルコニア），ＭｇＯ（マグネシア）， ＢｅＯ（ベリリア），ＴｈＯ2（トリア），ＵＯ2（ウラニア）・・・ 核燃料 アルミナAl2O3 ①Ａｌの酸化物を精製・調整し焼結したもの ②電気絶縁性，耐熱性，耐食性に優れる ③電子材料の基板として多用される（ＩＣ基板、ICパッケージ） ④耐摩耗性を利用した軸受け，シャフト ⑤化学的安定性，生体組織適合性を利用した人工骨， 人工歯，人工関節などの生体材料 ⑥軽量性とダイヤモンドに次ぐ高硬度 ⑦成形・加工の容易さ（マシナブル・セラミックス） 図 アルミナ製品 ジルコニアＺｒＯ2Mg,Ca,希土類金属等活性金属 ①耐熱性と耐食性に優れる（→溶融金属，ガスなどに反応しない） ②純物質状態では高温での結晶変態に伴う破壊を誘発するため、 安定化剤（酸化カルシウム）を添加して焼結し、安定化ジルコニア として高温発熱体等に利用 （→酸素イオン伝導体→固体電解質：「燃料電池」） ③キュービックジルコニアCZは光の屈折率が2.17と天然ダイヤモンド の2.47に近いためダイヤモンドの代用品として用いられている 図 ジルコニア耐熱材料 図 Cubic ZrO2 他の代表的な酸化物系セラミックス 耐高温、高強度 (a) マグネシアMgO ジェット機用窓ガラス ①透過性セラミックスの代表的材料 （→高圧ナトリウム灯用発光管に利用） ②熱膨張率が大きく、Ｐｔ，Ｎｉや希土類金属用 の溶融用ルツボとして多用 (b) ベリリアBeO ：熱伝導率に優れかつ絶縁性が良好であるため ＩＣ回路の放熱板に利用（ただし金属Beとともに 毒性がある） (c) チタニアＴｉＯ2 （cf.修正液、修正テープ、白色塗料) ：硬度，引張り強さが顕著に大きい (ｄ) チタン酸バリウム ＢａＴｉＯ3 ：チタニア（ＴｉＯ2）を炭酸バリウムと反応させて焼結したもの で、誘電率*)が大きく、コンデンサ材料の代表的材料として多用 電磁気学の基礎 *)誘電体・・・電圧を付加した時には定常電流は流れないが、 電荷を蓄積することのできる材料［：コンデンサ］ 誘電率：ε（比例定数）・・・Ｄ＝εＥ 電束密度：Ｄ（・・・誘電体により形成されたコンデンサの単位 面積当りに蓄積される電荷量） 電界：Ｅ［Ｖ／ｍ］ 図 セラミックコンデンサ（･･･電子製品、IT産業に不可欠 2. 非酸化物系セラミックス 代表的な材料（人工的に合成した新しい無機物を原料をとしたもの） ：Ｓｉ3Ｎ4（窒化ケイ素），ＳｉＣ（炭化ケイ素），ＢＮ（窒化ホウ素）， ＺｒＣ（炭化ジルコニウム），Ｃ（ダイヤモンド），炭素繊維 ･･･フラーレンC60 カーボンナノチューブ 代表的な特性：共有結合が支配的であるため、高温強度・脆性に優れる 物質中最も強い化学結合 セラミックス最大の弱点 (a) 窒化ケイ素Ｓｉ3Ｎ4 高温での変形が金属とは異なり小さい 金属と同等 ①熱膨張率が小さく、かつ熱伝導率が大きいため、熱衝撃に強い ②高温強度は１４７３Ｋで約７００ＭＰａ以上を示すため、 各種耐熱材料以外に高温用機械部品材としの応用が期待 （：切削工具，ガスタ－ビンの回転軸など ・・・ｃｆ．Ｎｉタ－ビン用基耐熱合金：１３６６Ｋ－３００ＭＰａ （ジェット機のタービンブレード ・・・金属の2倍以上） の代表材料） セラミックス高温高強度材料の代表的物質 「セラミックスエンジン材料」 (b) 炭化ケイ素ＳｉＣ ①伝熱性に優れるため、高性能ＩＣ基板に利用 ②硬度が大きい ③Ｓｉ3Ｎ4同様耐熱材料として期待 ④抵抗発熱体（通電により材料自体が高抵抗に起因して 発熱し高温になるもの）→セラミックスファンヒーター 溶解用ヒーター ⑤焼結性が悪い (c) 窒化ホウ素BN ①六方晶，立方晶の２つの結晶構造を有する ②実用型としてcBN（Cubic Boron Nitride）が多用される ・・・ダイヤモンドに次ぐ硬度を有する 高温下において切削工具材料として期待 →セラミックス機械構造用材料 ③cBNの製造法・・・h（Hexagonal）BNを２２７３Ｋ－５０００気圧 の高温・高圧下で焼結 ＊h-BN・・・半導体SiへのB添加（拡散）材料 活性金属溶融用ルツボ