Transcript セラミックス講義06回目 5月25日(火)スライド(pptファイル)

セラミックス
第6回目
5月 25日（火）
担当教員：永山 勝久
イオン結合の特徴(：熱伝導機構)
(高熱伝導性セラミックスと非熱伝導性セラミックス)
◎イオン結合性結晶 (セラミックス) の熱伝導機構
自由電子が
熱の伝導体
熱伝導媒体 ・・・ 『フォノン(phonon)』
○結晶中で規則配列する原子を “格子” と考え，格子位置での
原子の振動エネルギーを 「フォノン」 と定義
( フォノン ・・・ “格子の振動” をエネルギーを持った 粒子 と仮定)
=
cf. 金属材料
(振動子)
『量子』
熱伝導機構 ・・・ 「アインシュタイン・モデル(バネ・モデル)」
(図 参照)
① 物体を端面 (片側) 加熱
② 加熱面での原子振動の増大 (軽元素ほど大きい)
③ 隣接正負イオン間でのイオン結合を介して，格子振動が
伝播 (フォノンの伝播) ・・・“格子振動による伝播”
◎ 軽元素ほど格子振動は大きく、その伝播は容易
熱伝導率 ； Al2O3 (約20W/m・k，Al原子量 : 27 )
ZrO2 (約 4W/m・k，Zr原子量 : 91 )
5分の１
アインシュタイン・モデル
バネ
端面
バネ
(a)
(b)
加
熱
加
熱
軽元素 ・・・ 格子振動は大
熱伝導は容易
端面
重元素 ・・・ 格子振動は小
＜熱伝導率 ： 小＞
図3 熱伝導のモデル (アインシュタイン・モデル) ： 結晶の左端から右端への
加熱に伴う格子振動に伴う熱伝導現象の説明
(a) 軽元素 (振動大，高熱伝導性) ， (b) 重元素 (振動小)
共有結合 (最も強固な化学結
合) ◎ 共有結合 ・・・ １つの原子が所有する孤立電子 (不対電子) と，周囲の隣接原子
[定義]
(半導体，
非酸化物系
セラミックスの
結合様式)
が有する孤立電子との間で，スピンの向きを逆にして安定な電子
対を形成することによって生じる化学結合形成
隣接原子間で
Si
＝ N
S ス
ピ 磁気
＝ S ン 双極子
N
Si
電子
・窒化物
・ホウ化物
・炭化物
Si
Si
Si
Si
Si
安定な電子対(＋，－のスピン
の結合)
Si
Si
Si
Si4+ ： 4価
周囲に4個のSi原子
Si
Si
図2 Si結晶の共有結合
反平行スピン = (安定な電子対)
異極結合
安定
=
←電子雲どうしの結合
(a)
(b)
電子を共有する
安定結合 = 「共有結合」
電子雲どうし
同極結合 不安定（反発）
の反発
図3 反平行(a)，平行(b)スピン間における2原子間の電子密度分布
平行スピン = (不安定電子対)
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，半導体Si，カ－ボン繊維，炭化ケイ素SiC，
フラーレンC60, カーボンナノチューブ 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．炭化チタンTiC，窒化ケイ素Si3N4, 窒化ホウ素BN 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，MOx（M=U，Pu）, 窒化アルミAlN など）