1. セラミックス材料の基本概念

セラミックス材料は、一般に金属元素と非金属元素がイオン結合または共有結合によって結合した、無機非金属材料である。

代表的な構成元素には、次のものがある。

• アルミニウム

• ケイ素

• ジルコニウム

• マグネシウム

• カルシウム

• チタン

• ホウ素

• 炭素

• 窒素

• 酸素

セラミックス材料は、酸化物、窒化物、炭化物、ホウ化物、ケイ酸塩などの形態で存在する。

代表的な化合物：

• Al₂O₃：アルミナ

• ZrO₂：ジルコニア

• SiC：炭化ケイ素

• Si₃N₄：窒化ケイ素

• AlN：窒化アルミニウム

• BN：窒化ホウ素

• TiC：炭化チタン

• B₄C：炭化ホウ素

• MgO：酸化マグネシウム

• SiO₂：二酸化ケイ素

セラミックス材料は、金属と比較して一般に次の特徴を持つ。

• 高い硬度

• 高い圧縮強度

• 優れた耐摩耗性

• 優れた耐熱性

• 高い化学的安定性

• 低密度

• 高い電気絶縁性

• 低い延性

• 低い破壊靭性

• 衝撃および引張荷重に対する脆弱性

• 表面欠陥に対する高い感受性

したがって、セラミックスは単に金属より硬い材料ではない。

高温、摩耗、腐食、電気絶縁、熱伝導、または特定の電気的機能が要求される部品に使用される特殊な設計材料である。

2. セラミックス材料の結合構造

2.1 イオン結合

イオン結合は、陽イオンと陰イオンの間に働く静電引力によって形成される。

代表的な材料：

• Al₂O₃

• MgO

• ZrO₂

• CaO

イオン結合の特徴：

• 高い結合エネルギー

• 高い融点

• 高い硬度

• 低い電気伝導性

• 高い脆性

イオン結晶では、原子面がすべるときに同じ電荷を持つイオン同士が近づき、強い反発力が発生する。

そのため、金属のように転位が容易に移動できず、塑性変形が大きく制限される。

2.2 共有結合

共有結合は、原子同士が電子を共有することで形成される結合である。

代表的な材料：

• SiC

• Si₃N₄

• BN

• B₄C

• ダイヤモンド

共有結合の特徴：

• 非常に高い結合強度

• 高い硬度

• 高い耐熱性

• 低い熱膨張

• 優れた化学的安定性

• 低い延性

共有結合は方向性が強いため、結晶内で原子が移動しにくく、塑性変形よりも亀裂が発生しやすい。

2.3 混合結合

実用的なセラミックスの大部分は、純粋なイオン結合または純粋な共有結合だけで構成されているわけではない。

例えば、アルミナはイオン結合と共有結合の両方の性格を持つ。

結合形態の割合によって、次の特性が変化する。

• 硬度

• 熱伝導性

• 電気絶縁性

• 破壊靭性

• 化学的安定性

• 焼結性

3. セラミックス材料の基本分類

セラミックス材料は、一般に次のように分類される。

3.1 伝統的セラミックス

天然鉱物またはケイ酸塩を主原料とする材料である。

代表的な材料：

• 粘土

• 陶磁器

• れんが

• タイル

• 耐火物

• ガラス

• セメント

3.2 構造用ファインセラミックス

機械的強度、硬度、耐摩耗性および耐熱性が要求される部品に使用される高純度セラミックスである。

代表的な材料：

• アルミナ

• ジルコニア

• 炭化ケイ素

• 窒化ケイ素

• 炭化ホウ素

• 窒化ホウ素

• 炭化チタン

3.3 機能性セラミックス

電気、磁気、光学、圧電、誘電または熱伝導機能を利用するセラミックスである。

代表的な材料：

• チタン酸バリウム

• PZT

• フェライト

• 窒化アルミニウム

• 酸化亜鉛

• 透明セラミックス

• 固体電解質

3.4 セラミックス複合材料

2種類以上のセラミックス、またはセラミックスと他の材料を組み合わせた材料である。

代表的な種類：

• ジルコニア強化アルミナ

• アルミナ強化ジルコニア

• 炭化ケイ素繊維強化セラミックス

• 炭素繊維強化炭化ケイ素

• 金属–セラミックス複合材料

• 超硬合金

4. セラミックス材料の一般的な構成

セラミックス製品は、主成分だけで構成されるものではない。

一般に次の成分が含まれる。

1. 主原料粉末

2. 焼結助剤

3. バインダー

4. 分散剤

5. 可塑剤

6. 潤滑剤

7. 造孔剤

8. 安定化剤

9. 強化相

10. 不純物

4.1 代表的な構成比

バインダーと可塑剤は、成形後の脱脂工程で大部分が除去される。

5. セラミックスの微細組織と物性の関係

5.1 結晶粒

セラミックスは、多数の結晶粒から構成される場合が多い。

結晶粒が小さくなると、一般に次の特性が向上する。

• 強度

• 硬度

• 亀裂進展抵抗

• 表面仕上げ

• 焼結密度

ただし、結晶粒が過度に微細になると、次の問題が生じる場合がある。

• 焼結中の異常粒成長

• 粒界相の増加

• 高温クリープの増加

• 熱伝導性の低下

5.2 粒界

粒界は、異なる結晶粒が接する境界である。

粒界には次の成分が存在する場合がある。

• 不純物

• ガラス相

• 焼結助剤

• 第2相

• 微細気孔

粒界が弱い場合、亀裂が粒界に沿って進展する可能性がある。

粒界ガラス相が多い場合：

• 焼結性が向上する。

• 高温強度が低下する。

• クリープが増加する。

• 熱伝導性が低下する。

• 化学的安定性が低下する。

5.3 気孔

気孔は、セラミックスの強度を低下させる主要な欠陥である。

気孔率が増加すると、一般に次の傾向が現れる。

• 強度低下

• 弾性係数低下

• 熱伝導性低下

• 密度低下

• 耐衝撃性低下

• 流体透過性増加

一方、フィルター、断熱材、触媒担体などでは、意図的に高い気孔率を与える。

5.4 第2相

セラミックス内部に異なる相を分散させることで、物性を調整できる。

例：

• アルミナ中へのジルコニア分散

• 窒化ケイ素へのガラス相形成焼結助剤の添加

• 炭化ケイ素へのホウ素および炭素の添加

• セラミックス中への金属粒子の分散

第2相は次の役割を果たすことがある。

• 亀裂偏向

• 亀裂架橋

• 相変態強化

• 粒成長抑制

• 熱伝導性調整

• 電気伝導性付与

6. アルミナ — Al₂O₃

6.1 基本構成

アルミナは酸化アルミニウムを主成分とする代表的な酸化物セラミックスである。

理論元素質量比：

• アルミニウム：約52.9%

• 酸素：約47.1%

6.2 グレード別の代表組成

85～92%アルミナ

特徴：

• 比較的低コスト

• 焼結しやすい

• 絶縁部品および耐摩耗部品に使用

• 高純度アルミナより強度と耐食性が低い

95～96%アルミナ

特徴：

• 機械的特性と経済性のバランスが良い

• 電気絶縁部品

• 耐摩耗タイル

• 一般産業用セラミックス

99%以上のアルミナ

特徴：

• 高い耐食性

• 高い電気絶縁性

• 高い耐熱性

• 高純度プロセスに適する

• 焼結費および加工費が高い

6.3 特性

長所：

• 高い硬度

• 高い圧縮強度

• 優れた耐摩耗性

• 優れた電気絶縁性

• 比較的高い熱伝導性

• 優れた化学的安定性

• 原料供給が安定している

• ファインセラミックスの中では比較的経済的

制限：

• 低い破壊靭性

• 衝撃に弱い

• 低い引張強度

• 耐熱衝撃性に制限

• 機械加工が困難

• 角部の欠けに敏感

6.4 主な用途

• 電気絶縁体

• セラミックス基板

• ポンプシール

• バルブシート

• ノズル

• 耐摩耗ライナー

• 軸受部品

• 半導体装置部品

• 医療用部品

• 食品機械用耐摩耗部品

7. ジルコニア — ZrO₂

7.1 基本構成

ジルコニアは、酸化ジルコニウムを主成分とする高靭性酸化物セラミックスである。

純粋なジルコニアは、温度によって結晶相が変化する。

• 単斜晶相

• 正方晶相

• 立方晶相

相変化に伴う体積変化が大きいため、安定化剤を必要とする。

7.2 代表的な安定化組成

3Y-TZP

3Y-TZPは、イットリア安定化正方晶ジルコニア多結晶体である。

8YSZ

8YSZは立方晶相が安定化され、酸素イオン伝導体として使用される。

Mg-PSZ

7.3 相変態強化

正方晶ジルコニア結晶粒は、亀裂先端の応力によって単斜晶相へ変態することがある。

この変態により体積が増加し、亀裂先端周辺に圧縮応力が発生する。

その結果：

• 亀裂進展が抑制される。

• 破壊靭性が向上する。

• 曲げ強度が向上する。

• 耐衝撃性が向上する。

この現象を相変態強化という。

7.4 特性

長所：

• セラミックスの中では高い破壊靭性

• 高い曲げ強度

• 優れた耐摩耗性

• 低い熱伝導性

• 滑らかな表面に研磨可能

• 生体適合性

• 酸素イオン伝導性を持つグレードが存在

制限：

• アルミナより硬度が低い

• 高温で相安定性に問題が生じる場合がある

• 低温劣化の可能性

• 水分および応力による劣化

• 低い熱伝導性による局部的な熱集中

• 比較的高コスト

7.5 主な用途

• セラミックス軸受

• 精密バルブ

• 切断刃

• ポンプ部品

• 歯科材料

• 酸素センサー

• 燃料電池

• 精密ガイド

• 耐摩耗部品

8. ジルコニア強化アルミナ — ZTA

8.1 基本構成

ZTAは、アルミナ母材中にジルコニア粒子を分散させた複合セラミックスである。

代表組成：

8.2 特性

• アルミナより高い破壊靭性

• 高い硬度を維持

• 優れた耐摩耗性

• ジルコニアより良好な寸法安定性

• 亀裂偏向および相変態による強化

• 高コスト

• 精密な焼結制御が必要

8.3 主な用途

• 医療用部品

• 耐摩耗ライナー

• 切断部品

• バルブ

• ポンプシール

• 高荷重セラミックス部品

9. 炭化ケイ素 — SiC

9.1 基本構成

炭化ケイ素は、ケイ素と炭素が強い共有結合によって結合した非酸化物セラミックスである。

9.2 代表的なグレード

反応焼結炭化ケイ素

代表組成：

• SiC：約80～95 wt.%

• 残留Si：約5～20 wt.%

特徴：

• 製造中の寸法変化が小さい

• 複雑形状の製造が可能

• 比較的低い製造コスト

• 残留ケイ素により高温・腐食環境性能が制限される場合がある

常圧焼結炭化ケイ素

代表組成：

• SiC：約98～99.5 wt.%以上

• BおよびC焼結助剤：約0.1～2 wt.%

特徴：

• 高い耐食性

• 高い耐熱性

• 高い硬度

• 焼結が困難

再結晶炭化ケイ素

特徴：

• 高い気孔率

• 優れた耐熱衝撃性

• 高温構造部品および窯道具に使用

9.3 特性

長所：

• 非常に高い硬度

• 高い熱伝導性

• 低い熱膨張

• 優れた耐熱衝撃性

• 高い耐摩耗性

• 高い耐食性

• 高温で強度を維持

• 低密度

制限：

• 低い破壊靭性

• 機械加工が非常に困難

• 衝撃に弱い

• 焼結が困難

• 複雑形状では製造費が高い

• 酸化雰囲気で表面酸化膜が形成される

9.4 主な用途

• メカニカルシール

• ポンプ軸受

• 熱交換器

• 半導体装置部品

• ヒーター部品

• 高温ノズル

• 耐摩耗ライナー

• 防弾材

• 研磨材

• 窯道具

10. 窒化ケイ素 — Si₃N₄

10.1 基本構成

窒化ケイ素は、ケイ素と窒素から構成される非酸化物セラミックスである。

10.2 代表組成

窒化ケイ素は本来焼結しにくいため、一般に焼結助剤を使用する。

焼結助剤は粒界ガラス相を形成し、緻密化を促進する。

10.3 微細組織

焼結中にα相が細長いβ相結晶粒へ変態する場合がある。

細長いβ-Si₃N₄結晶粒は、次の働きをする。

• 亀裂偏向

• 亀裂架橋

• 結晶粒引抜き

• 破壊靭性向上

10.4 特性

長所：

• 高い破壊靭性

• 高い曲げ強度

• 優れた耐熱衝撃性

• 低い熱膨張

• 低密度

• 優れた耐疲労性

• 高い高温強度

• 良好な耐摩耗性

制限：

• 製造コストが高い

• 粒界ガラス相による高温クリープ

• 機械加工が困難

• 酸化環境で長期劣化する可能性

• 複雑な焼結工程が必要

10.5 主な用途

• セラミックス軸受玉

• ターボチャージャーローター

• エンジン部品

• 切削工具

• 高温ローラー

• 溶接治具

• 半導体部品

• 高速回転部品

11. 窒化アルミニウム — AlN

11.1 基本構成

窒化アルミニウムは、高い熱伝導性と電気絶縁性を同時に持つセラミックスである。

11.2 代表組成

酸素不純物は、熱伝導性を大幅に低下させる場合がある。

11.3 特性

長所：

• 非常に高い熱伝導性

• 優れた電気絶縁性

• ケイ素に近い熱膨張係数

• 高い耐熱性

• 低い誘電損失

• 半導体基板に適する

制限：

• 水分と反応する可能性

• 加水分解への注意

• 高い原料費

• 複雑な焼結工程

• 機械加工が困難

• 表面酸化の可能性

11.4 主な用途

• 半導体放熱基板

• パワーモジュール基板

• LED放熱基板

• 絶縁ヒートシンク

• 高周波電子部品

• 真空装置部品

12. 窒化ホウ素 — BN

12.1 基本構成

窒化ホウ素は、ホウ素と窒素から構成されるセラミックスである。

代表的な構造：

• 六方晶窒化ホウ素

• 立方晶窒化ホウ素

12.2 六方晶窒化ホウ素

黒鉛に似た層状構造を持つ。

特性：

• 低い摩擦係数

• 優れた高温潤滑性

• 高い電気絶縁性

• 良好な熱伝導性

• 溶融金属に対する低い濡れ性

• 機械加工が可能

• 低い強度

• 酸化雰囲気中の高温使用に制限

主な用途：

• 高温潤滑剤

• 溶融金属ノズル

• 絶縁部品

• 高温治具

• 金型離型材

• 半導体部品

12.3 立方晶窒化ホウ素

特性：

• ダイヤモンドに次ぐ高い硬度

• 鉄系金属の切削に適する

• 高い熱安定性

• 高い耐摩耗性

主な用途：

• 切削工具

• 研磨材

• 高硬度材料の加工

• 超精密加工

13. 炭化ホウ素 — B₄C

13.1 基本構成

炭化ホウ素は、ホウ素と炭素から構成される超高硬度セラミックスである。

13.2 特性

• 極めて高い硬度

• 非常に低い密度

• 高い耐摩耗性

• 優れた中性子吸収能力

• 高い化学的安定性

• 非常に低い破壊靭性

• 衝撃に弱い

• 機械加工が極めて困難

• 焼結が困難

13.3 主な用途

• 防弾材

• ノズル

• ブラスト部品

• 研磨材

• 原子炉制御材

• 耐摩耗ライナー

14. チタン酸バリウム — BaTiO₃

14.1 基本構成

チタン酸バリウムは、代表的な誘電体および強誘電体セラミックスである。

14.2 特性

• 高い誘電率

• 強誘電性

• 圧電性

• 温度による相変化

• 組成による誘電特性の調整が可能

• 機械的衝撃に弱い

14.3 主な用途

• 積層セラミックコンデンサ

• 誘電体部品

• 圧電素子

• センサー

• アクチュエーター

• 温度補償素子

15. PZT圧電セラミックス

15.1 基本構成

PZTは、鉛、ジルコニウム、チタンから構成される圧電セラミックスである。

代表化学式：

• Pb(Zr,Ti)O₃

代表組成：

ジルコニウムとチタンの比率により、圧電特性と誘電特性が変化する。

15.2 特性

• 高い圧電定数

• 高い電気機械結合係数

• 高い誘電率

• 高速応答

• 脆性

• 温度安定性に制限

• 鉛含有による環境規制への対応が必要

15.3 主な用途

• 超音波振動子

• 圧電アクチュエーター

• 圧力センサー

• 加速度センサー

• 精密位置制御

• 超音波洗浄機

• 医療用超音波素子

16. フェライト

16.1 基本構成

フェライトは、酸化鉄と他の金属酸化物から構成される磁性セラミックスである。

代表的な種類：

• Mn-Znフェライト

• Ni-Znフェライト

• バリウムフェライト

• ストロンチウムフェライト

16.2 代表組成

Mn-Znフェライト

• Fe₂O₃

• MnO

• ZnO

代表的な組成範囲：

Ni-Znフェライト

16.3 特性

• 高い電気抵抗

• 低い渦電流損失

• 磁気機能

• 良好な高周波特性

• 脆性

• 低い引張強度

• 衝撃に敏感

16.4 主な用途

• 変圧器コア

• インダクター

• EMIフィルター

• アンテナコア

• 永久磁石

• センサー

• モーター用磁石

17. ガラス

17.1 基本構成

ガラスは、長距離規則性を持たない非晶質無機材料である。

代表的なソーダ石灰ガラスの組成：

代表的なホウケイ酸ガラスの組成：

17.2 特性

• 透明性

• 電気絶縁性

• 耐食性

• 滑らかな表面

• 低い引張強度

• 表面傷に敏感

• 脆性

• 耐熱衝撃性は組成によって異なる

17.3 主な用途

• 保護窓

• 観察窓

• 光学部品

• 実験器具

• センサーカバー

• 食品設備用観察窓

• 電気絶縁部品

18. 耐火セラミックス

耐火物は、高温環境で形状と強度を維持する材料である。

代表的な種類：

• アルミナ質耐火物

• シリカ質耐火物

• マグネシア質耐火物

• 炭化ケイ素質耐火物

• ジルコニア質耐火物

18.1 アルミナ質耐火物

代表組成：

• Al₂O₃：約45～99 wt.%

• SiO₂：残部

• その他の酸化物：少量

用途：

• 窯

• 炉

• 高温配管

• バーナー部品

18.2 マグネシア質耐火物

代表組成：

• MgO：約80～98 wt.%

• CaO、SiO₂、Fe₂O₃：少量

特性：

• 塩基性スラグに強い

• 高温安定性

• 耐熱衝撃性に制限

19. 多孔質セラミックス

多孔質セラミックスは、内部に意図的な気孔を形成した材料である。

代表的な気孔率：

• 約10～90%

気孔形成方法：

• 造孔剤の添加

• 発泡

• 凍結鋳造

• 部分焼結

• テンプレート法

特性：

• 低密度

• 低い熱伝導性

• 高い比表面積

• 流体透過性

• 低い機械的強度

主な用途：

• フィルター

• 触媒担体

• 断熱材

• 吸音材

• 真空チャック

• ガスディフューザー

• 溶融金属フィルター

20. セラミックス複合材料

20.1 セラミックス基複合材料

セラミックス母材中に繊維または粒子を分散させた材料である。

代表的な組合せ：

• SiC繊維／SiC母材

• 炭素繊維／SiC母材

• Al₂O₃繊維／Al₂O₃母材

特性：

• 亀裂架橋

• 亀裂偏向

• 破壊靭性向上

• 耐熱衝撃性向上

• 高温強度

• 高い製造コスト

20.2 サーメット

サーメットは、セラミックス相と金属相を組み合わせた複合材料である。

代表例：

• TiC-Ni

• TiCN-Ni

• WC-Co

セラミックス相は硬度と耐摩耗性を提供し、金属相は靭性と結合強度を提供する。

21. 超硬合金 — WC-Co

21.1 基本構成

超硬合金は、炭化タングステン粒子をコバルト結合相で結合した材料である。

代表組成：

21.2 組成と特性の関係

WC含有量の増加

• 硬度増加

• 耐摩耗性向上

• 圧縮強度増加

• 靭性が低下する場合がある

Co含有量の増加

• 破壊靭性向上

• 耐衝撃性向上

• 硬度低下

• 耐摩耗性低下

TiC、TaC、NbC

• 高温硬度向上

• 拡散摩耗抑制

• 切削性能調整

• 耐熱衝撃性の変化

21.3 主な用途

• 切削工具

• 金型

• ドリル

• 耐摩耗ノズル

• パンチ

• ロール

• 鉱山工具

• 高圧部品

22. セラミックスの機械的特性

22.1 硬度

セラミックスは原子間結合が強く、転位移動が困難であるため、高い硬度を持つ。

硬度が高くなると、一般に次の傾向がある。

• 耐摩耗性向上

• 切削工具寿命向上

• 研磨性増加

• 加工費増加

• 脆性破壊リスク増加

22.2 圧縮強度

セラミックスは圧縮荷重に対して非常に強い。

主な理由：

• 圧縮応力によって亀裂が閉じる。

• 原子間結合が強い。

• 塑性変形を伴わずに高い圧縮荷重を支持できる。

一方、引張および曲げでは亀裂が開くため、比較的容易に破壊する。

22.3 引張強度と曲げ強度

セラミックスでは直接引張試験が困難なため、曲げ強度で評価されることが多い。

曲げ強度に影響する要因：

• 表面粗さ

• 表面亀裂

• 内部気孔

• 結晶粒径

• 試験片寸法

• 加工方向

• 試験速度

• 温度

22.4 破壊靭性

破壊靭性は、亀裂の成長に対する抵抗を示す。

一般的な傾向：

• ジルコニア：比較的高い

• 窒化ケイ素：中～高

• アルミナ：中以下

• 炭化ケイ素：低い

• 炭化ホウ素：非常に低い

セラミックスでは、衝撃耐性や欠陥感受性を評価する際、強度よりも破壊靭性が重要になる場合がある。

22.5 ワイブル統計

セラミックスの強度は、欠陥の大きさと分布に影響されるため、統計的に変動する。

ワイブル係数は、強度のばらつきの程度を示す。

• ワイブル係数が高い：強度ばらつきが小さい

• ワイブル係数が低い：強度ばらつきが大きい

設計では平均強度だけを使用せず、信頼性と破壊確率を考慮する必要がある。

22.6 疲労

セラミックスでも、繰返し荷重によって疲労破壊が発生する。

特に次の環境では疲労が促進される。

• 水分

• 高温

• 繰返し引張

• 表面欠陥

• 腐食性流体

水分が亀裂先端の結合を弱めることで、緩やかな亀裂成長が発生する場合がある。

23. 熱的特性

23.1 耐熱性

セラミックスは一般に、金属および高分子材料より高い耐熱性を持つ。

ただし、実際の使用温度は次の要因によって制限される。

• 酸化

• 相変態

• 粒界ガラス相

• 熱衝撃

• 高温クリープ

• 化学反応

• 金属接合部

23.2 熱伝導性

セラミックスの熱伝導性は材料によって大きく異なる。

熱伝導性が高い材料：

• AlN

• SiC

• BeO

• 高純度Al₂O₃

熱伝導性が低い材料：

• ZrO₂

• 多孔質セラミックス

• ガラス

• 耐火物

23.3 熱膨張

熱膨張係数が低いセラミックスは、熱による寸法変化が小さい。

ただし、金属と接合する場合は、熱膨張差によって応力が発生する可能性がある。

発生する問題：

• 接合部の亀裂

• 剥離

• 反り

• 冷却時の破損

• 熱サイクル疲労

23.4 熱衝撃

熱衝撃とは、急激な温度変化によって亀裂が発生する現象である。

耐熱衝撃性は、次の条件で向上する。

• 低い熱膨張係数

• 高い熱伝導性

• 高い破壊靭性

• 低い弾性係数

• 小さい部品厚さ

• 緩やかな形状変化

耐熱衝撃性に優れる材料：

• SiC

• Si₃N₄

• 一部のBN

• コーディエライト

耐熱衝撃性が比較的低い材料：

• 一般アルミナ

• 一部のジルコニア

• 一般ガラス

24. 電気的特性

24.1 電気絶縁性

多くのセラミックスは自由電子が少なく、高い電気絶縁性を持つ。

代表的な絶縁材料：

• Al₂O₃

• AlN

• Si₃N₄

• ガラス

• BN

24.2 誘電特性

誘電体セラミックスは、電界中に電気エネルギーを蓄えることができる。

代表的な材料：

• BaTiO₃

• TiO₂

• Al₂O₃

• ガラスセラミックス

主な評価項目：

• 誘電率

• 誘電損失

• 絶縁破壊強度

• 温度係数

• 周波数特性

24.3 イオン伝導性

一部のセラミックスでは、電子よりもイオンが移動する。

代表的な材料：

• 安定化ジルコニア

• リチウム系固体電解質

• β-アルミナ

主な用途：

• 酸素センサー

• 燃料電池

• 全固体電池

• ナトリウムイオン伝導体

25. セラミックスの製造工程

25.1 原料粉末の製造

主な方法：

• 粉砕

• 沈殿

• ゾル–ゲル法

• 熱分解

• 気相合成

• 燃焼合成

重要な粉末特性：

• 粒径

• 粒度分布

• 粒子形状

• 純度

• 比表面積

• 凝集状態

25.2 混合と分散

セラミックス粉末には、次の材料を添加する。

• バインダー

• 可塑剤

• 分散剤

• 焼結助剤

• 潤滑剤

• 溶媒

分散が不均一な場合、次の問題が発生する。

• 気孔

• 強度ばらつき

• 反り

• 密度差

• 亀裂

• 異常粒成長

25.3 成形

代表的な成形方法：

• 一軸加圧成形

• 冷間静水圧成形

• スリップキャスティング

• テープキャスティング

• 押出成形

• 射出成形

• ゲルキャスティング

• 積層造形

25.4 脱脂

脱脂は、成形体に含まれる有機バインダーと可塑剤を除去する工程である。

脱脂速度が速すぎると、次の問題が発生する。

• 内部圧力増加

• 亀裂

• 膨張

• 剥離

• 気孔形成

25.5 焼結

焼結は、粉末成形体を融点以下の温度で加熱し、粒子間結合と緻密化を進行させる工程である。

焼結中には次の現象が発生する。

• 粒子接触部の成長

• 気孔の収縮

• 密度増加

• 結晶粒成長

• 収縮

• 相変態

代表的な焼結方法：

• 常圧焼結

• 反応焼結

• ホットプレス焼結

• 熱間静水圧焼結

• 放電プラズマ焼結

• 液相焼結

25.6 後加工

焼結後のセラミックスは非常に硬いため、一般にダイヤモンド工具を使用する。

後加工方法：

• ダイヤモンド研削

• ラッピング

• ポリッシング

• レーザー加工

• 超音波加工

• 放電加工

• ウォータージェット加工

26. セラミックスの加工および設計原則

26.1 鋭い角部を避ける

セラミックスは応力集中に敏感である。

対策：

• 十分なフィレットを設ける。

• 面取りを行う。

• 急激な断面変化を避ける。

• 溝端部に曲率を設ける。

26.2 引張より圧縮荷重を利用する

可能な限り、セラミックス部品には圧縮応力が作用するように設計する。

避けるべき構造：

• 薄い片持ち梁

• 偏心引張

• 局部曲げ

• 点接触

• 強制的なしまりばめ

26.3 均一な肉厚

肉厚が急激に変化すると、焼結収縮や熱応力によって亀裂が発生する場合がある。

26.4 締結部設計

セラミックスへの直接ねじ加工には制限がある。

代替方法：

• 金属インサート

• 接着

• クランプ

• 圧縮締結

• ろう付け

• メタライズ後のはんだ付け

• フランジ構造

26.5 接触応力

セラミックスは、点接触によって生じる高い局部接触応力に弱い。

対策：

• 接触面積を広げる。

• 弾性中間層を使用する。

• 芯ずれを減らす。

• 表面仕上げを改善する。

• エッジ接触を防止する。

27. セラミックスと金属の接合

27.1 機械的締結

• ボルト

• クランプ

• 焼ばめ

• フランジ

注意事項：

• 熱膨張差

• 局部応力

• 組立公差

• 金属部品の塑性変形

27.2 接着

長所：

• 応力分散

• 異種材料接合

• 複雑形状への対応

制限：

• 使用温度

• 化学薬品

• 長期クリープ

• 表面処理の必要性

27.3 ろう付け

セラミックス表面に金属層を形成するか、活性金属ろう材を使用する。

代表的な活性金属：

• Ti

• Zr

用途：

• 真空部品

• 電子パッケージ

• センサー

• 電極

27.4 メタライジング

セラミックス表面に金属層を形成する。

代表的な方法：

• Mo-Mnメタライジング

• 薄膜成膜

• 厚膜印刷

• 無電解めっき

• スパッタリング

28. 摩擦と摩耗

セラミックスは高い硬度によって優れた耐摩耗性を持つが、すべての摩擦部品に適するとは限らない。

確認項目：

• 相手材

• 潤滑

• 表面粗さ

• 接触圧力

• 速度

• 温度

• 粒子汚染

• 熱衝撃

• 微細亀裂

代表的な摩擦用セラミックス：

• SiC

• Al₂O₃

• Si₃N₄

• ZrO₂

• BN

29. 腐食と化学的安定性

セラミックスは一般に耐食性に優れるが、すべての化学環境に対して安定しているわけではない。

例：

• アルミナは、強酸または強アルカリへの長時間曝露で損傷する場合がある。

• SiCは、一部の高温酸化環境で酸化する。

• AlNは水分に敏感である。

• ジルコニアは、水分と応力によって低温劣化する場合がある。

• ガラスはフッ化水素酸に弱い。

• 窒化ケイ素は高温で酸化する場合がある。

したがって、薬品濃度と使用温度を正確に確認して評価する必要がある。

30. 食品機械におけるセラミックス材料

30.1 適用可能な材料

• アルミナ

• ジルコニア

• 炭化ケイ素

• 窒化ケイ素

• ガラス

• セラミックスコーティング

30.2 主な適用部品

• メカニカルシール

• バルブシート

• 切断刃

• ポンプ部品

• 耐摩耗ノズル

• 粉砕部品

• 精密ガイド

• 観察窓

• 摩耗ライナー

30.3 長所

• 耐食性

• 低い金属イオン溶出

• 高い耐摩耗性

• 洗浄薬品への対応

• 高温洗浄への対応

• 非粘着表面を形成可能

• 衛生的な表面仕上げが可能

30.4 注意事項

• 破損時に鋭利な破片が発生する。

• 金属検出が困難。

• 衝撃荷重に注意が必要。

• 微細亀裂検査が必要な場合がある。

• 食品接触適合性を確認する必要がある。

• 表面気孔を管理する必要がある。

• 洗浄時の熱衝撃を確認する必要がある。

• コーティング剥離の危険性がある。

31. 半導体および電気装置におけるセラミックス

31.1 代表的な材料

• Al₂O₃

• AlN

• SiC

• Si₃N₄

• 石英

• BN

31.2 主な用途

• 絶縁基板

• 静電チャック

• ヒーター

• ウェハ支持台

• 絶縁ブッシング

• 真空部品

• 放熱部品

• センサーハウジング

31.3 主な要求事項

• 高純度

• 低発塵

• 低アウトガス

• 高い電気絶縁性

• 高い熱伝導性

• 耐プラズマ性

• 寸法安定性

• 高精度表面

32. 主要セラミックス材料の比較

33. 部品別のセラミックス選定

33.1 メカニカルシール

推奨材料：

• SiC

• Al₂O₃

• ZrO₂

選定基準：

• 高摩耗・高速用途：SiC

• 一般耐食用途：Al₂O₃

• 衝撃および精密接触：ZrO₂

33.2 セラミックス軸受

推奨材料：

• Si₃N₄

• ZrO₂

• Al₂O₃

選定基準：

• 高速・軽量：Si₃N₄

• 高い靭性と低騒音：ZrO₂

• 経済性と電気絶縁性：Al₂O₃

33.3 絶縁部品

推奨材料：

• Al₂O₃

• AlN

• BN

• ガラス

選定基準：

• 一般絶縁：Al₂O₃

• 放熱と絶縁：AlN

• 高温および機械加工性：BN

• 透明絶縁：ガラス

33.4 高温構造部品

推奨材料：

• SiC

• Si₃N₄

• Al₂O₃

• ジルコニア

選定基準：

• 高熱伝導性と高温耐久性：SiC

• 熱衝撃と靭性：Si₃N₄

• 経済的な高温絶縁：Al₂O₃

• 断熱性と靭性：ZrO₂

33.5 切削工具

推奨材料：

• Al₂O₃

• Si₃N₄

• cBN

• WC-Co

• TiCNサーメット

34. 図面および材料仕様書への表記方法

単に「セラミックス」または「アルミナ」とだけ表記するのは十分ではない。

次の項目もあわせて指定する必要がある。

34.1 材料名と純度

例：

• Al₂O₃ 99.5%

• 3Y-TZP

• Si₃N₄、ガス圧焼結

• SiC、常圧焼結

• AlN 99%

34.2 焼結方法

• 常圧焼結

• 反応焼結

• ホットプレス焼結

• 熱間静水圧焼結

• 再結晶

• 液相焼結

34.3 密度と気孔率

例：

• 相対密度98%以上

• 開気孔率0.1%以下

• 気孔率30±5%

34.4 機械的特性

• 曲げ強度

• 圧縮強度

• 破壊靭性

• 硬度

• 弾性係数

• ワイブル係数

34.5 熱的特性

• 熱伝導率

• 熱膨張係数

• 最高使用温度

• 熱衝撃条件

34.6 表面および寸法要求

• 表面粗さ

• 平面度

• 平行度

• 角部面取り

• 亀裂許容基準

• 表面欠陥基準

34.7 検査要求

• 蛍光浸透探傷検査

• 超音波検査

• X線検査

• 顕微鏡検査

• 寸法検査

• 漏れ検査

35. セラミックス材料の選定手順

35.1 機能の確認

• 耐摩耗部品か。

• 電気絶縁部品か。

• 放熱機能が必要か。

• 高温構造部品か。

• 圧電または磁気機能が必要か。

• 化学腐食環境で使用するか。

• 食品と接触するか。

35.2 荷重の確認

• 圧縮

• 引張

• 曲げ

• 衝撃

• 繰返し荷重

• 接触荷重

• 熱応力

35.3 温度の確認

• 連続使用温度

• 最高温度

• 温度変化速度

• 熱衝撃

• 酸化雰囲気

• 真空

• 熱サイクル

35.4 環境の確認

• 水

• 蒸気

• 酸

• アルカリ

• 溶融金属

• プラズマ

• 真空

• 放射線

• 摩耗粒子

35.5 製造性とコストの確認

• 成形方法

• 焼結収縮

• 後加工

• 要求精度

• 供給可能形状

• 最小発注数量

• 検査費用

• 予想破損率

35.6 信頼性の確認

• 欠陥分布

• ワイブル係数

• 表面損傷

• 緩やかな亀裂成長

• 疲労

• 熱サイクル

• 寿命試験

36. 最終まとめ

セラミックス材料は、単に硬くて壊れやすい材料ではない。

実際の性能は、次の要素の組合せによって決定される。

• 化学組成

• イオン結合と共有結合の割合

• 原料純度

• 粒径

• 結晶粒径

• 気孔率

• 焼結助剤

• 粒界相

• 焼結方法

• 表面加工

• 欠陥分布

• 使用温度および環境

アルミナは、高い硬度、耐摩耗性、電気絶縁性および経済性のバランスに優れた代表的な構造用セラミックスである。

ジルコニアは、相変態強化によって高い破壊靭性と曲げ強度を確保し、精密機械部品および医療部品に適している。

炭化ケイ素は、非常に高い硬度、熱伝導性、低い熱膨張および優れた耐食性を持ち、メカニカルシールや高温部品に広く使用される。

窒化ケイ素は、細長い結晶粒構造によって高い靭性と耐熱衝撃性を持ち、高速軸受および高温回転部品に適する。

窒化アルミニウムは、高い熱伝導性と電気絶縁性を同時に提供し、半導体放熱基板に適する。

窒化ホウ素は、層状構造によって高温潤滑性と機械加工性を提供する。立方晶窒化ホウ素は、超高硬度切削工具に使用される。

炭化ホウ素は、非常に高い硬度と低い密度を持つが、破壊靭性が低いため、防弾材および耐摩耗ノズルなどに限定的に使用される。

チタン酸バリウムとPZTは、電界に応答する機能性セラミックスであり、コンデンサ、センサー、超音波素子およびアクチュエーターに使用される。

フェライトは、高い電気抵抗と磁気特性によって、高周波コアおよび電子部品に使用される。

セラミックス複合材料は、亀裂偏向、亀裂架橋、相変態強化などによって、単一セラミックスの脆性を改善する。

したがって、セラミックス材料を選定する際は、一般的な材料名だけで判断してはならない。

次の項目を総合的に確認する必要がある。

• 純度および化学組成

• 結晶相

• 安定化剤および焼結助剤

• 密度および気孔率

• 破壊靭性

• 曲げ強度

• 熱伝導性および熱膨張

• 耐熱衝撃性

• 表面粗さおよび欠陥

• 製造工程

• 接合方法

• 流体および化学環境

• 信頼性および破壊確率

• 供給メーカーのグレード

セラミックス材料の選定は、最も硬い材料を選ぶ作業ではない。

要求される荷重、温度、摩耗、化学環境、電気的機能、熱的機能および破壊信頼性に適した組成と微細組織を選択する設計プロセスである。