セラミック材料

モダンな セラミック材料 陶磁器は、特殊なセラミックスをベースとした伝統的な陶磁器から発展した新しいタイプの陶磁器であり、伝統的な陶磁器とは異なる独特の特性を持っています。伝統的な陶磁器の概念と範囲を遥かに超え、高度な新技術の産物です。そのため、陶磁器材料は古くからあると同時に、新しいテーマでもあります。

いわゆる現代セラミック材料は、無機非金属材料です。金属材料と有機材料と並んで、現代材料の三大カテゴリーの一つです。また、金属材料と有機材料を除くすべての材料の総称でもあります。本章では、現代セラミック材料、すなわち現代無機非金属材料について論じます。

現代のセラミック素材はハイテクな意味合いを帯びています。伝統的な素材と比較すると、主に以下の3つの特徴があります。

（１）現代の科学技術の発展の要請に基づき午後ent。現代の科学技術の発展の産物であり、ハイテク製品です。

（2）製造工程は複雑であり、現代の科学技術の成果の活用が求められるため、技術集約型の製品です。

（３）優れた特殊特性を有し、商業産業や新技術産業の要求を満たすことができる。

セラミック材料の分類

生産と科学技術の発展に伴い、セラミック材料と製品の種類は日々増加しています。様々な材料や製品の特性を理解しやすくするために、通常は様々な角度から分類されます。

1. 化学組成による分類

（1）酸化物セラミック。酸化物セラミックには多くの種類があり、セラミックファミリーの中で非常に重要な位置を占めています。最も一般的に使用されている酸化物セラミックは、Al2O3、SiO2、MgO、ZrO3、CeO2、CaOです。Cr2O3、ムライト（3Al2O3・2SiO4）、スピネル（MgAl2O3）などです。セラミック中のAl2O3とSiO2は、金属材料における鋼やアルミニウム合金と同じくらい広く使用されています。いくつかの酸化物セラミックを表11.1に示します。ケイ酸塩も酸化物シリーズに属します。ZrsiO4など。呼び出しが待機されています。BaT、CgyiOなどの複合酸化物もあり、これもこのカテゴリに分類されます。

セラミック材料は化学組成によって分類される

（2）炭化物セラミック。炭化物セラミックは一般に酸化物よりも融点が高い。最も一般的に使用されるのはSiC、SC、Phoenix C、TICなどである。炭化物セラミックは、製造工程において大気保護を行う必要がある。

（3）アミド系セラミックス。最も広く使用されている塩化物はアジであり、優れた総合的な機械的特性と耐高温性を備えています。さらに、TZN、BN、AIなどの窒化物セラミックスの用途はますます広がっています。最近登場したC3N4は、Si3O4よりも優れた性能が期待されています。

(4) 四種類の化学セラミック。ホウ化物セラミックの用途はそれほど広くありません。主に、他のセラミックマトリックスに添加して性能を向上させるための添加剤や第二相として使用されます。一般的に使用されるものとしては、Ti、Zrなどがあります。

2. 性能と用途による分類

（1）構造用セラミックス。構造用セラミックスは、構造部品を製造するための構造材料として用いられます。主にその機械的特性を利用します。強度、靭性、硬度、弾性率、耐摩耗性、耐高温性（高温強度、耐熱衝撃性、耐アブレーション性）などに優れています。前述の核化学組成によって分類される4つのセラミックスのほとんどは構造用セラミックスです。例えば、AjZQ石、3N4、ZXは、優れた機械的特性を持つ代表的な構造用セラミックス材料です。

（2）機能性セラミックス。機能性セラミックスは、主に電磁気特性、熱特性、光学特性、生物特性などの物理的特性を利用して、機能デバイスを製造するための機能性材料として用いられます。例えば、フェライトなどが挙げられます。強誘電体セラミックスは主にその電磁気特性を利用しており、電磁部品の製造に用いられ、誘電体セラミックスはコンデンサの製造に、圧電セラミックスは変位センサや圧力センサの製造に用いられます。固体電解質セラミックスは、イオン移動特性を利用して酸素検出器の製造に用いられます。バイオセラミックスは人工骨や人工歯の製造に用いられます。超伝導材料や光ファイバーも機能性セラミックスに属します。

上記の分類は相対的なものであることにも留意すべきです。絶対的なものではなく、構造用セラミックスと機能性セラミックスの間に厳密な境界がない場合もあります。一部のセラミック材料では、両方の境界が存在します。圧電セラミックスは機能性セラミックスに分類されますが、強度、靭性、硬度、弾性率などの機械的特性にも一定の要件があります。まず、E力に耐える際に損傷を防止できる十分な強度を備え、一般的な圧電特性を実現する必要があります。また、高温構造用セラミックスや宇宙船耐熱部品用の耐熱衝撃・耐火セラミックスなどは、構造用セラミックスに分類されますが、耐熱膨張性は強度、靭性、弾性率だけでなく、熱伝導率や熱膨張係数も機械的特性と同様に決定され、耐熱衝撃性に非常に重要な影響を与えます。耐食性は化学セラミックス（耐酸性ポンプなど）の重要な性能ですが、業界の要求を満たすためには一定の機械的特性を備えていなければなりません。超伝導材料は高脂肪であるため、線材化が困難であり、実用化には至っていません。つまり、構造用セラミックスであれ機能性セラミックスであれ、機械的特性はセラミック材料の最も基本的な特性です。ただ、用途によって機械的特性に対する要求は異なります。

この章では主に構造用セラミックスについて説明します。

セラミックの利点

1. セラミック材料の性能特性

ご存知のように、金属材料（純金や合金）の化学結合は主に金属で、金属の正原子とそれを満たす電子雲で構成されています。金属結合には方向性がありません。そのため、金属は優れた塑性変形特性を持っています。一方、非金属化合物を含まないセラミックは、その化学的性質が共有結合よりも優れています。この化学反応は強い方向性と高い結合エネルギーを持っています。そのため、セラミック材料は塑性変形を起こしにくく、脆性が高く、割れやすいという特性があります。これがセラミック材料の弱点です。しかし、この化学結合タイプのおかげで、構造用セラミックスは金属材料よりも優れた一連の特殊な特性を持っています。

①高硬度により優れた耐摩耗性を発揮します。

②発火点が高く、耐熱性に優れていると判断されました。

③化学的安定性が高く、耐食性に優れていることが分かります。

セラミック材料はこのように優れた利点を有する一方で、脆さという致命的な欠点があり、その性能と実用化を制限しています。そのため、セラミックスの高強度化は、セラミック材料研究における中核的な課題となっており、世界的な注目を集めています（詳細は「セラミックスの高強度化」の項を参照）。

2. 現代（先進）陶磁器と伝統陶磁器の比較

現代の陶磁器と伝統的な陶磁器を比較すると、原材料の組成、製造工程、組織構造、そして性能に大きな違いがあります。

伝統陶器と現代陶器の対比