～無機材料分野～

准教授 吉田 克己

材料科学基礎Ａ�Fundamentals of Materials Science A�

日程 内容第3回 10/11 無機材料の基礎、構造と性質

第4回 10/18 材料科学の基礎的・応用的研究 （各教員）

第5回 10/25 無機材料の製造プロセス

材料科学基礎Ａ無機材料分野 講義内容

講義資料ダウンロード吉田研究室HPhttp://www.nr.titech.ac.jp/~tyano/

工業材料の変遷

石器，土器陶磁器ガラス

セメント耐火物 ファインセラミックス

金属材料

非金属材料

鉄鋼材料

非鉄金属材料

無機材料

有機材料ガラスセメント粘土陶磁器耐火物ファインセラミックス

材料

基本成分あるいは主成分が無機非金属物質から構成されている固体

無機材料の大きな特徴：取り扱う元素の種類が豊富である無機材料では「周期表の端から端までを使い尽くす」

ガラスガラス状態にある物質結晶化させることなく冷却して，その粘度が固体と同じ程度の大きさに達した非晶質状態，あるいは無定形状態原子，イオンあるいは分子の配列は長距離秩序をもたず，構造上では液体に似ていて，物性にも異方性は見られない

☆シリカガラス：SiO2 網目状構造☆ソーダ石灰ガラス：SiO2 + Na2O，CaOなど☆ホウケイ酸ガラス：ホウ酸とSiO2が共重合した網目をもつ☆鉛ガラス：鉛を含有

など

セメント無機質の膠着剤（接着剤）

コンクリートセメント + 砂や砂利（骨材）セメントを水と反応させたもので骨材を固めたもの

水と練ったセメントが固まる現象水と反応して水酸化物あるいは含水化合物（水和物）を生成し，固体体積を増加させて固まる

3CaO•SiO22CaO•SiO23CaO•Al2O34CaO•Al2O3•Fe2O3CaSO4•2H2O

やきものの分類

土器 陶器，炻器， 磁器歴史

セラミックスの種類の例

〇酸化物セラミックス（oxide ceramics）☆単一の金属元素の酸化物からなる単酸化物（単純酸化物；single oxide）アルミナ Al2O3, ジルコニアZrO2,シリカ SiO2, マグネシアMgOなど☆2種類以上の金属からなる酸化物（複酸化物，複合酸化物；double oxide, multiple）CaTiO3，BaTiO3，MgAl2O4など

〇非酸化物セラミックス（non-oxide ceramics）☆窒化物（nitride）：Si3N4，AlN，TiN，BNなど☆炭化物（carbide）：SiC，TiC，B4Cなど☆ホウ化物（boride）：TiB2，ZrB2，LaB6など☆ケイ化物（silicide）：MoSi2，FeSi2などなど

セラミックス（ceramics） とは？

成形，焼成などの工程をへて得られる非金属無機材料Keramos（ギリシャ語：焼き物）に由来

理化学辞典

JIS-R1600：「ファインセラミックス」目的の機能を十分に発現させるため，化学組成，微細組織，形状及び製造工程を精密に制御して製造したもので，主として非金属の無機物質から成るセラミックス

☆伝統（トラディショナル）セラミックス☆ファインセラミックス

構造材料

機能材料力学的特性や熱的特性以外の特性（電気的、磁気的、光学的などの機能性）が求められる材料

構造材料と機能材料

力学的特性、熱的特性が要求される材料ビルや船舶、航空機、自動車、家電製品、スポーツ用品・・・ありとあらゆる人工物において、自重や外力などに対して形状・構造を保つための強度を担っている

○はさみ，包丁おろし器，スライサー ○LED照明

生活・調理器具

ジルコニア（ZrO2） 基板，蛍光体○土鍋

○食器

○衛生陶器 ○浄水器フィルター

住宅

○超親水性防汚機能セラミックタイル

〇ルツボ・セッター

素材製造

焼き物を焼くときに使う入れ物や台

アルミナAl2O3，ジルコニアZrO2, 窒化ケイ素Si3N4，炭化ケイ素SiC

ポットミルセラミックス及び先端材料粉体の粉砕・分散

〇粉砕用メディア

〇抵抗発熱体セラミックスに電気を流して加熱するもの

カーボンヒータMoSi2ヒーター炭化ケイ素 SiCヒーター

〇セラミックベアリング

〇セラミックス切削工具

機械部品・素材加工

軸を滑らかに回転させるためのもの耐熱性，耐磨耗，耐食性に優れ，軽く，非磁性，絶縁体の特徴を持つ

窒化ケイ素（Si3N4）

機械の部品を切ったり削ったりする加工では硬いセラミックスの工具が使われる．アルミナ基に炭化チタンTiCもしくは窒化チタンTiNを混合したアルミナ系，窒化ケイ素，立方晶型窒化ホウ素BN基の窒化物系，ダイヤモンド系

○多層セラミック回路基板

○セラミックパッケージ

コンピュータ

多くの半導体チップを相互で電気的に接続させるために取り付ける配線基板

部品を保護するために入れるセラミックス製のケース

電子回路を水分，塩分，紫外線と言った外部環境から守り，電気信号を高速かつ無駄無く伝えるようにすると共に，自ら発熱する回路の場合はその熱を効率良く外部に放熱するなど，特性に合わせた色々な役目を持つ

アルミナ（Al2O3）

○半導体デバイス用窒化アルミニウム基板

○FeRAM

半導体チップの発熱を逃がす機能を備えた配線基板（窒化アルミニウムAlN 製）

電気のプラスとマイナスの向きでデータを記録できる半導体

強誘電体

強誘電体メモリー（FeRAM: Ferroelectric Random Access Memory）

強誘電体：外部から電場を加えることによって発生した分極が，電場を取り去った後でも残る性質をもつ

チタン酸ジルコン酸鉛（PZT： Pb (Zr, Ti) O3）ビスマス層状酸化物強誘電体（代表的なものは，SBT：SrBi2Ta2O9 )

○PTCサーミスタ

家電機器室温では電気抵抗が低く，高温では電気抵抗が高くなる性質を利用して，熱を発生させたり，電流が流れすぎるのを防ぐ部品

Positive Temperature CoefficientBaTiO3に微量の希土類などを添加することで得られる正の温度係数を有するサーミスタ

○水酸アパタイト人工骨補填材

生体関連

○β-リン酸三カルシウム人工骨補填材料

○人工歯根○生体活性骨ペースト

○人工関節

○セラミックス製人工歯（陶歯，陶材）

アルミナ（Al2O3）ハイドロキシアパタイト

アルミナ（Al2O3）ジルコニア（ZrO2）

〇自動車排ガス浄化用コーディエライトハニカム

自動車の排気ガスの温度を計測する部品

自動車の排気ガスをきれいにする

〇排ガス用温度センサ

ZrO2，YCrO3

サーミスタ素子温度上昇とともにその抵抗値が減少する性質（NTCサーミスタ）

ディーゼルパーティキュレートフィルター(DPF)

Cordierite-DPF (NGK Insulators, Ltd.)

SiC-DPF (Ibiden Co., Ltd.)27

○航空機用C/Cコンポジットブレーキ航空・宇宙・輸送

ブレーキディスク（ポルシェ，アウディなど）

C繊維強化セラミックス基複合材料

C/C複合材料

C/C複合材料

シリカフェルトシリカタイル

シリカタイル

スペースシャトル（Atlantis）

加熱の激しい機首や主翼，尾翼の先端：C/C複合材料（3000oCに耐える）機体翼面や胴体：細いガラス繊維でできた断熱材やそれらを焼き固めたブロックの上を黒や白のガラスをコーティングしたセラミックタイルで機体を守っているスペースシャトルが再突入したとき，機首先端部の材料の最高温度は1600oC，機体下面のセラミックタイルの一番温度が高いところで1000oC（機体構造の材料は120oC程度しかもたないが，セラミックタイルの断熱により超高温状態から機体を守る）

○パンタグラフ用カーボン系すり板

ジェットエンジンへのセラミックス基繊維強化複合材料の応用

SiCf/SiC複合材料(密度 : 2～3 g/cm3)

高温部材² 燃焼機ライナー² タービン翼（静翼，動翼）

Ni基合金（密度 : 8 g/cm3）

軽量, 耐熱性

第二相不純物，析出物

結晶構造

微構造

欠陥

粒界相

気孔

化学組成

u 点欠陥(空孔, 不純物元素)

u 積層欠陥u 転位

粒子（サイズ，形態，配向性）

セラミックスの微構造

き裂

セラミックス材料の性質は微構造に大きく支配される

Ca3(PO4)2にMgまたはLiイオンをドープ

セラミックスの構造☆ 結晶質とアモルファス（非晶質固体）結晶質固体原子が広い範囲で規則正しく一定の周期で配列している固体アモルファス（非晶質固体）原子の配列に周期性や広い範囲での規則性がない固体

☆ 結晶質固体：単結晶と多結晶単結晶体端から端まで構成原子が規則正しく並んでいる固体多結晶体細かい単結晶の粒が集まってできており，ある粒の方向が隣の粒の方向と関わりなく存在している状態の固体

単結晶体 多結晶体結晶質固体 アモルファス

（非晶質固体）

セラミックス陽性元素（金属元素）と陰性元素が結合した非金属性の無機固体材料

イオン結合と共有結合が共存

結合の割合は構成原子間の電気陰性度の差に依存差が大きいほどイオン結合性強い

種々のセラミックスの電気陰性度差とイオン結合度または共有結合度の関係

酸化物セラミックス：イオン結合性高い非酸化物セラミックス：共有結合性高い

無機材料（セラミックス）の性質

有機材料，金属材料，無機材料（セラミックス）の性質

セラミックス：金属と比べて軽い

密度

構成元素，結晶構造

u 機械的性質l 弾性率l ポアソン比l 硬さl 強さ（強度）l 破壊じん性

u 熱的性質l 熱膨張l 熱伝導率l 耐熱性l 熱衝撃破壊

無機材料（セラミックス）の性質

u 電気特性l 誘電体（絶縁体）l 導電体

u 磁気特性

u 光学特性

機械的性質

弾性率

ひずみ（e）

応力（s）

X 破壊

傾き s/e＝弾性率 E

変形量（ひずみ）と物体に加えた応力が比例し，応力を除くともとに戻る変形→ 弾性変形

ひずみとして1次元（例えば引張り方向）の伸び率をとった場合の弾性率→ ヤング率

応力sとひずみeの比例定数→ 弾性率 E

原子間の結合エネルギー気孔

フックの法則

ポアソン比

伸びやすい材料ほどポアソン比は大きくなる傾向

長さ方向の増加に対する厚さ方向の減少の割合→ ポアソン比

ポアソン比n =LaTb

引っ張った方向に伸びる（長さLがaだけ増加）引っ張った方向に垂直な方向では断面積が小さくなる（厚さTがbだけ減少）

アルミニウム：0.34ダイヤモンド：0.2炭化ケイ素：0.17アルミナ：0.17～0.23コンクリート：0.1ポリアミド（ナイロン66）：0.41天然ゴム：0.49

硬さビッカース硬さ：試験片にピラミッド型のダイヤモンド圧子を押し込んだ際に示す抵抗を表す数値（くぼみ（圧痕）の大きさ）

強さ（強度）

セラミックスの強度は、その試料中に含まれる欠陥（亀裂，傷や内部に含まれる異物や異常粒成長した結晶）の大きさにより決まる．

材料の理論的な強さ：材料を構成する原子同士を切り離す力弾性率の1/10くらい

実際の強さはそれよりも1/100ほど小さい

（例）Al2O3（多結晶アルミナ）ヤング率 400GPa → 理論強度 40GPa実際の強度：およそ400MPa（0.4GPa）

破壊応力の理論値と実測値の違い

曲げ強度試験（3点曲げ強度，4点曲げ強度）

気孔率，粒径とセラミックス曲げ強さとの関係アルミナ（Al2O3）

チタニア（TiO2）

titanium → titaniaaluminum → alumina

金属とセラミックスの応力-ひずみ曲線の比較セラミックス

金属応力

ひずみO

D

A

B

C

セラミックス：脆い（脆性破壊）

OA：弾性変形AC：塑性変形C：破断

OD：弾性変形D：破断

セラミックス基繊維強化複合材料の破壊挙動

セラミックス単体の破壊の様子

SiCf/SiC複合材料（セラミックス基繊維強化複合材料）の破壊の様子

�Toshiba Corporation)

SiAlONセラミックス(単体)

SiCf/SiC複合材料

高速飛翔体試験

超塑性：結晶粒の微細な多結晶体が高温で巨大な伸びを示す現象

超塑性

破壊じん性（靱性）材料中には欠陥（き裂）があり，その先端に応力が集中して破壊の原因となる（その大きさ：応力拡大係数 K ）

応力と亀裂が小さく，かつK が小さいときはき裂の進展は非常に緩慢であるが，K がある値になるとき裂は急速に進展して破壊する．

この値が臨界応力拡大係数あるいは破壊じん性値 Kcであり，き裂進展の抵抗値に相当する．その時の応力が破壊強度（強さ）となる．セラミックスは引っ張り（モードI）に弱く，モードIの破壊じん性値 KICで評価されることが多い．

代表的なセラミックスの破壊じん性

Q3き裂をもつセラミック材料の破壊じん性KICが次式で与えられるとする．

KIC = sB p a 2a：き裂の長さsB：引張強さ

破壊じん性値 KIC=2 MPa•m1/2のセラミック材料が200 MPaの引張強さを達成するために許容される最大のき裂寸法を求めよ．

（解答）2a = 2 (KIC /sB)2/p

= 2 (2 MPa•m1/2/200 MPa)2 / p= 64 x 10-6 m= 64 µm