Transcript ファインセラミックスの製造法

セラミックス
第６回 ５月２１日(水）
セラミックスの分類について①
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
機
能
耐熱性
熱的機能
断熱性
伝熱性
硬 質 ・耐 磨 性
酸 化 物 セラミックス 非 酸 化 物 セラミックス
A l2 O
3
Z rO 2 , S iO
2
B eO
A l2 O 3
応用製品例
S iC , S i3 N 4
耐熱構造材
C
S iC (+ B e O )
S iC
各種断熱材
基板
メカニカル ・シー ル ・リング
T iC , T iN
切削工具
機械的性質 切削性
A l2 O
研磨性
―
B 4 C , ダ イヤ モンド
砥 石 ，研 磨 材
A l2 O 3 ，アパ タイト
―
―
B N , T iB 2 , S i3 N 4
人工骨
触媒担体
耐食部品
生体適合性
生 物 ・化 学 的
坦体性
機能
耐食性
コー デ ィライト
A l2 O 3
絶縁性
A l2 O
3
S iC (+ B e O )
IC 基 板 ，パ ッケ ー ジ
導電性
Z rO
2
S iC , M o S i2
抵抗発熱体
―
コンデ ンサ
―
酸 素 センサ ，電 池
S IC
―
―
ガ ス・センサ ，バ リスタ
着 火 素 子 ，発 振 子
磁 心 ，記 憶 素 子
―
蛍光体
P LZT
S iO 2
―
―
―
N aランプ
偏光素子
光 ファイバ
UO
UC
核燃料
B eO
C
減速材
―
B 4C
制御材
誘電性
電 気 ・電 子 的
イオ ン伝 導 性
機能
半導性
圧電性
磁性
光学的機能
3
Z rO 2 , B aT iO
Z rO 2 , β - A l2 O
3
S n O 2 , Z n O - B i2 O
P Z T ,Z nO
(Z n , M n )F e 2 O
蛍光性
Y 2O
3
透光性
偏光性
導光性
A l2 O
3
原子炉材
原子力関連
減速材
機能
制御材
3
2
4
3
セラミックスの種類と用途
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
2.1 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ＺｒＯ2
Mg,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
(f) 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
2.2 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
ファインセラミックスの製造法
ニュ－セラミックスの特性支配因子
（組成と構造）
セラミックスの特性［：図２．１参照］
構造特性・・・内部の気孔，粒子サイズ等のマクロ因子に依存［：構造敏感］
機能特性・・・原子配列，原子価，イオン半径，電子状態等のミクロ因子に依存
図２．１ セラミックスの特性支配因子