セラミックス

2014 年 6 月 3 日（火），10（火），17（火）

材料工学科 教授 永山 勝久

第 7，8，9 回目

（ 2号館 2301教室 ）

日本 アメリカ ニュ－セラミックス Ｈｉｇｈ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｅｒａｍｉｃｓ （新しいセラミックス） （高い技術を有するセラミックス） ファインセラミックス Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃｓ （微細緻密・精密なセラミックス） （先端技術のセラミックス） ↓

高度な技術を用いた 先端新素材・応用分野 ［：図1.2，表１.4-1～3， 表1.5，図1.7～1.12】」 参照］ ∴ ニュ－セラミックス ・・・知識集約的製品 （高機能・高付加価値） ［参考］：表1.6，図1.3， 図1.4，図1.5，図1.6 ・・・ニューセラミックス の市場規模，生産高， 輸出額，原料生産額， 市場規模の成長予測

図1.2 ファインセラミックスの応用分野別比率

（平成20年度 のデータ，6年前）

（社）日本ファインセラミックス 協会による 平成２０年度 ・産業動向調査 より

http://www.jfca-net.or.jp/

出典：（社）日本ファインセラミックス協会

⇒ 図1.7 ～図1.12

代表的な応用例

① 電・磁気 ・光学分野

ファインセラミックスの 代表的応用分野・機能

絶縁性

半導体

導電性

磁性

誘電性 ・圧電性

光学

集積回路用ﾊﾟｯｹｰｼﾟ、半導体用各種基板 （電子デバイス用基板）、絶縁用製品 他

各種センサ材料、化合物半導体関連製品

電極、電池用部材、発熱体、サーミスタ、バリスタ、超電導部品、その他

ﾌｪﾗｲﾄ磁石、ﾌｪﾗｲﾄ磁気ﾍｯﾄﾞ、メモリ部材、薄膜磁気ヘッド、その他

コンデンサ素子、圧電体、水晶振動子 （各種超音波振動子など）、その他

光ファイバー、レーザー発振用素子、 特殊ガラス、光変換素子（LEDなど）、他

表1.4-1 ファインセラミックスの分類 【 ← 表1.5 参照】 （社）日本ファインセラミックス協会・産業動向調査 より

③ 熱的 ・半導体 ・原子力 関連分野

高温高強度

高温耐食性

半導体関連

原子力関連 その他

工具・高硬度

耐摩耗性

その他

WC工具、ｻｰﾒｯﾄ１）工具、ｾﾗﾐｯｸ工具、 ﾀﾞｲﾔﾓﾝﾄﾞ工具、CBN工具、ｺｰﾃｨﾝｸﾞ工具（金属基材･WC基材･その他の基材）、他

② 機械的 分野 粉体処理装置、ﾎﾟﾝﾌﾟ, 液体処理装置、

製紙装置紡錘装置、その他耐摩耗部材

精密機器部品、精密治具、食品加工装置部品、炭素繊維複合部材、セラミック各種複合部材、切削用ｾﾗﾐｯｸ部材、他

スパークプラグ、エンジン部材、その他

熱処理用治具、その他

半導体製造装置用部材、その他 各種原子力関連材料、その他 各種耐熱・断熱部材、その他

表1.4-2 ファインセラミックスの分類【 ← 表1.5 参照】 ファインセラミックス

の代表的応用分野・機能 代表的な応用例 （社）日本ファインセラミックス協会・産業動向調査 より

1) 金属の炭化物，窒化物等を 金属と複合化した超硬質材料

④ 化学・生体生物 ・生活文化分野

化学 濃度センサー（酸素濃度測定用 センサ－）、セラミックフィルタター、 各種耐食容器・治具等、その他

生物・生体 生体材料（人工骨、人工関節、 人工歯根）、化粧品・医薬部品 他

生活文化 家電・住宅用材料、生活雑貨、 繊維・衣料、ｽﾎﾟｰﾂ・ﾚｼﾞｬｰ用品、抗菌性ｾﾗﾐｯｸｽ部材、表面処理材、装身・装飾、その他

⑤ 薄膜原料、 複合材料分野

セラミックス薄膜用ターゲット原料、複合材料添加用セラミックス繊維 ・微粒子、表面処理用溶射材、他

表1.4-3 ファインセラミックスの分類【 ← 表1.5 参照】 ファインセラミックスの

代表的応用分野・機能 代表的な応用例

（社）日本ファインセラミックス協会・産業動向調査 より

薄膜原材料、 繊維・微粒子 表面改質

表1．5 ニュ－セラミックスの機能・材料・応用製品 機能大分類 機 能 酸化物セラミックス 非酸化物セラミックス 応用製品例

耐熱性 Al2O3 SiC, Si3N4 耐熱構造材

断熱性 ZrO2, SiO2 C 各種断熱材伝熱性 BeO SiC(+ BeO) 基板硬質・耐磨性 Al2O3 SiC メカニカル・シール・リング

切削性 Al2O3 TiC, TiN 切削工具

研磨性 ― B4C, ダイヤモンド 砥石，研磨材

生体適合性 Al2O3，アパタイト ― 人工骨坦体性 コーディライト ― 触媒担体耐食性 Al2O3 BN, TiB2, Si3N4 耐食部品

絶縁性 Al2O3 SiC(+ BeO) IC基板，パッケージ

導電性 ZrO2 SiC, MoSi2 抵抗発熱体

誘電性 ZrO2, BaTiO3 ― コンデンサ

イオン伝導性 ZrO2, β -Al2O3 ― 酸素センサ，電池

半導性 SnO2, ZnO-Bi2O3 SIC ガス・センサ，バリスタ圧電性 PZT, ZnO ― 着火素子，発振子磁性 (Zn, Mn)Fe2O4 ― 磁心，記憶素子

蛍光性 Y2O3 ― 蛍光体

透光性 Al2O3 ― Naランプ偏光性 PLZT ― 偏光素子導光性 SiO2 ― 光ファイバ

原子炉材 UO2 UC 核燃料

減速材 BeO C 減速材

制御材 ― B4C 制御材

熱的機能

機械的性質

生物・化学的機能

原子力関連機能

光学的機能

電気・電子的機能

表1.6 ファインセラミックスの生産総額推移（億円）

ニューセラミックスの市場規模（生産総額） ：～1兆7,300億円（平成23年度，2011年度）

（3年前，実質2年前）

図1.3 ニューセラミックスの応用分野別・生産高の推移

（社）日本ファインセラミックス協会・産業動向調査 より

（５～７年前）

図1.4 ニューセラミックスの輸出総額

（社）日本ファインセラミックス協会・産業動向調査 より

（５～７年前）

図1.5 ニューセラミックス原料の生産額 （億円）

（社）日本ファインセラミックス協会・産業動向調査 より

（６～９年前）

図１．６ 日本のニューセラミックス市場規模（2020年までの成長予測） （社）日本ファインセラミックス協会・産業動向調査 より

2014年

↓

← 1.8倍 ← 国内需要

↑

輸出総額

↑

2.5倍

2020年に成長が期待されるニューセラミックスの主要分野 １．環境・エネルギー分野， ２．自動車関連分野， ３．情報・通信分野

４．医療分野

① 次世代２次電池 ⇒ 高性能リチウムイオン電池用電極材料（ex．電気自動車用） ② 発光素子（ex．液晶ディスプレイバックライト照明用・Ⅲ－Ⅴ族化合物半導体LED）

① セラミックス生体材料（人工関節，人工骨，人工弁 等） ② 医療用セラミックスセンサー：胸部，心臓，脳部超音波画像診断（エコー）用 圧電セラミックス：PZT（チタン酸ジルコン酸鉛Pb（Zr,Ti）O3）セラミックス 『リチウムイオン電池』 ：電解質中のLiイオンが電機伝導を担う２次電池 正極にリチウム酸化物，負極に炭素を用いる

図１．７

http://e2a.jp/review/090813.shtml

日産により2010年12月に日本とアメリカで同時発売 2012年から世界で量産化が開始された電気自動車

グレードS ：287万円

グレードX ：329万円

グレードG ：368万円

１回の充電：300円 連続走行距離：228km

2014年5月15日，創立80周年記念特別仕様車 「X 80th Special Color Limited」 を発売

日産・NEC共同開発の リチウムイオン電池を搭載

図１．８

電気自動車の構造図

iPhone搭載リチウムイオン電池

図１．９

『はやぶさ』 2003年5月9日に宇宙科学研究所ISASが打ち上

げた小惑星探査機（地球重力圏外にある天体表面に着陸し、サンプルリターンに世界で初めて成功） 2005年夏に「イトカワ（アポロン群の小惑星，地球から約3億km，直径540m）」に到着し、表面を詳細に観測後、表面の微粒子サンプルを採取し2010年 6月13日22時51分に60億km，7年間の旅を終え、大気圏再突入し消滅（カプセルとサンプルが帰還） 電力源は太陽電池で、リチウムイオン電池を搭載

小惑星イトカワ：540ｍ×270ｍ×210ｍ

はやぶさの着陸想像図

『はやぶさ』に搭載されたイオンエンジン Xeをイオン化し、電場で加速

して噴射（マイクロ波放電式） する独自のシステムを採用

はやぶさに搭載された リチウムイオン電池

はやぶさの着陸想像図 （JAXA）

図１．１０

図 超音波画像診断装置（エコー）とプローブ

図 圧電セラミックス素子の超音波発生機構 図１．１１

図１．１２ ニューセラミックス製品の一例

出典：（社）日本ファインセラミックス協会 http://www.jfca-net.or.jp/

セラミックスの種類と用途 （－代表的なセラミックス材料－）

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

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）， SiO2（シリカ），TiO2（チタニア），Fe3O4（マグネタイト）， BaTiO3（チタン酸バリウム），Pb（Zr,Ti）O3（ジルコン酸鉛）， UO2（ウラニア），PuO2（プルトニウム）・・・

核燃料 注）Pb（r,Ti）O3（ジルコン酸鉛）セラミックス ：圧電体セラミックス材料 の代表 『圧電性（piezoelectric effect）』 とは ①ある種の材料に圧力（応力）を加える電圧を発生する現象 ②ある種の材料に電気を流す（電圧を印加）と振動（変位）する現象 【代表材料】：水晶（クオーツ），PZTセラミックス（・・・誘電体の一種） 【応用例】 ① ガスコンロ，ファンヒターの点火スイッチ ② 水晶振動子（クオーツ時計）, 魚群探知機， 超音波振動子, スピーカーなど各種振動用センサ素子

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）

アルミナAl2O3

図 アルミナ製品（一例）

図 セラミックス多層基板（左：DRAM用，右：フラッシュメモリ用）

図 電子デバイス用各種セラミックス製パッケージ

コンピュータのメインメモリや デジタルテレビ，デジタルカメラ等の 情報機器の記憶装置に使用される 揮発性の半導体メモリ（RAM）

DRAM：Dynamic Random Access Memory

Flash Memory

書き換え可能で、電源を切っても データが消えない不揮発性の半導体 メモリ（ROM：Read Only Memory）

多層基板：集積回路が３～１０層程度，厚み（上下）方向に積層された高密度基板

⇒ 電子回路基板を３層以上重ね合わせ、各層を配線し回路を３次元化した基板）

各種OA機器，携帯電話，デジタルカメラ，ビデオカメラ，ゲーム機，PC用マザーボード等に使用

ジルコニア ＺｒＯ2

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 Cubic ZrO2 図 ジルコニア耐熱材料

Mg,Ca,希土類金属等 活性金属用溶解ルツボ

ZrO2 製セラミックス包丁（ナイフ，ハサミ）

他の代表的な酸化物系セラミックス

（a） マグネシア：MgO 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 Pt，Niや希土類金属用の溶解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回路の放熱基板に利用（ただし金属同様、毒性がある）

（c） チタニア：TiO2 ：硬度，引張り強さが大きい ⇒ 『光触媒』 として発展

（ｄ）フェライト：M2+O・Fe2O3 ：磁性体セラミックス材料の代表

耐高温、高強度特性 ジェット機（戦闘機） 用窓ガラス

（⇒ 修正液、修正テープ、白色塗料 等に使用）

１） 『ナノセラミックス』 の定義

：ナノサイズの超微細結晶粒からなる｢ナノ多結晶体｣やナノレベルの超微細構造制御が可能な｢無機膜｣などがあり、ナノ粒子化により機能特性（電気・電子・磁気特性）や構造特性（超硬度、超延性など）の顕著な改善を可能とする｢次世代社会を牽引する新たな材料｣

｢無機材料研究（セラミックス材料）｣の新たな展開を可能とし、特に｢環境保全・新エネルギー関連｣への応用が期待

応用例：｢ナノ光触媒｣ ・・・ex．酸化チタン：TiO2 ①地球温暖化防止・環境浄化用材料 ②環境ホルモンの分解用材料 ③光触媒デバイス用材料 ④色素増感型太陽電池 など

『光触媒』は、TiO2微粒子やTiO2薄膜の表面に太陽や蛍光灯などの光が当たると、表面で強力な酸化力が生まれ、接触してくる有機化合物や細菌などの有害物質を除去する ことができる「環境浄化材料」 「光触媒の5つの機能」 1．大気浄化：工場や自動車から の排ガス中の窒素酸化物（NOx） や硫黄酸化物（SOx）などを除去 2．脱臭効果：アンモニア、硫化水素 等の悪臭を除去（・・・空気清浄機） 3．浄水効果：浄水，排水処理 （有機塩素化合物を分解除去） 4．除菌・抗菌効果：細菌を分解 5．防汚効果：表面に付着した汚れ

図 光触媒の５つの機能 （地球環境保護材料）

（＝油分など）を分解除去

（e） 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

*) 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 ⇒ コンデンサ（蓄電）容量） 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）

電磁気学の基礎

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

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」用構造材料

高温での変形が金属とは異なり小さい 金属と同程度の高い値

海底地震観測の現場を支えるファインセラミック材料

高い圧縮強度、耐食性、比重の小さい窒化ケイ素Si3N4は、深海用耐圧容器，特に、世界一深いマリアナ海溝の11,000mの深海に、地震計（自己浮上型海底地震計：海底で地震を観測・記録する装置，観測終了後、本体のみを海面に浮かせ、船で回収し、地震データを解析）の保護用耐圧容器として使用されている

（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 ③ Ｓｉ3Ｎ4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 ⑤ 次世代パワー半導体 ：電力（電圧）変換機器（インバーター）用半導体素子 ⇒ 交流電圧を直流電圧に高効率に変換（ex.60Hz → 50Hz）

・・・SiをGaNやSiCといった化合物半導体で置き換える ことで，Si製パワー半導体素子（以下，パワー素子）で 実現できない大幅な効率向上や小型化が見込めるため 例えば，送電システムや電車，ハイブリッド車，工場内の 生産設備，太陽光発電システムで利用するパワーコン ディショナー，エアコンを始めとする家電，サーバー機や パソコンなどの分野で使用する次世代用高性能半導体 素子材料としてGaNやSiCが今後の発展が期待される

図 次世代パワー半導体の用途・応用分野 （電力変換効率の向上、機器の小型・軽量化が期待）

（c） 窒化ホウ素 BN ① 炭素（常温・常圧：黒鉛，高温・高圧：ダイヤモンド）同様、 “窒化ホウ素BN”も、常圧相の六方晶と高圧相の立方相の ２つの構造を有する（⇒Ⅲ（B）－Ⅴ（N）族化合物） ② c-BN（Cubic Boron Nitride），②h-BN（Hexagonal）共に 実用材料として多用される 『立方晶BN（c-BN）の特徴』 １．ダイヤモンドに次ぐ高硬度 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 ※ 結晶構造がダイヤモンドに酷似し、原子間距離も ほぼ同じであるため、高硬度特性を有する ２．熱伝導もダイヤモンド同様に高い ※ c-BN（常温・常圧相h-BNの高温・高圧相）の製造法 ・・・ h-BNを2273K－5000気圧の高温・高圧下で焼結

『六方晶BN（h-BN）の特徴』 １．熱的安定性に優れる （・・・2200℃付近まで使用可能） ２．熱伝導性に優れる （・・・鋼に近い高い熱伝導率） ３．熱膨張率が小さい （・・・熱衝撃性に優れる） ４．潤滑性・機械加工性が良好 （・・・精密加工が可能） ５．化学的安定性・耐食性良好 ６．電気絶縁性に優れる

図 c-BNの結晶構造（正四面体構造） ・・・四つの頂点にBまたはN原子， 重心位置 にNまたはB原子

図 h-BNの結晶構造（正六角形の頂点 の青：B，茶色：Nで、(a)(b)(a)(b)・・・ の二層積層構造で結晶を形成

B

N

単位胞中にsp3混成軌道 （正四面体構造）が4つ存在

1Å=10−10 m = 0.1 nm

c-BNの結晶構造（正四面体構造） ・・・四つの頂点にBまたはN原子， 重心位置 にNまたはB原子

B またはN原子 ↓

←NまたはB原子

ニュ－セラミックスの特性支配因子 （－ 特性と構造の関係 －）

『セラミックスの特性』［：図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１ セラミックスの 特性支配因子

機械的性質

電気的性質

熱的性質

化学的性質

微細構造

超微細構造

原子元素

http://www.jfca-net.or.jp/

より引用

ファインセラミックスの種々の高機能特性と応用分野および密接に関連する学問領域

ファインセラミックス の出発原料と製造技術の革新的かつ飛躍的進展に起因

学問領域

http://www.jfca-net.or.jp/http://www.jfca-net.or.jp/http://www.jfca-net.or.jp/

ナノテクノロジーの概要 1 nm = 1/10 億 m = 1/100万 mm（=10-9m）

1μm（10-6 m）

100 nm（10-7 m） LSIの最小素子寸法

10 nm（10-8 m） ウィルス、カーボンナノチューブ

1 nm（10-9 m） タンパク質分子、DNA二重らせん径

1Å（オングストローム，=10-10 m） 水素原子の直径

ナノ領域

カーボンナノチューブ ・・・0.5～10 nmの直径と1μm程度の長さの円筒構造を有する炭素の結晶 （→ 1991年、NECシステムデバイス基礎研究本部 飯島澄男 主席研究員によって発見） 【特徴】 ①立体構造の違いにより、半導体／金属の両方の性質をとる →『究極の集積度を有する新たな半導体の創製』 ②高い(金属をはるかに超える)電気伝導特性 ③巨大磁気抵抗 ④水素吸着特性→『水素燃料エンジン、燃料電池』など

① ＩＴ，② 医療・バイオ，③ 環境・エネルギー

『ナノ・テクノロジー』 の２１世紀における応用分野

◎『新材料の創製（ex．ナノ結晶・ナノ粒子、ナノ粒子分散・析出・複合）』

『スカイツリーの先は宇宙へ』 東京スカイツリーを施工した大林組が、2050年に 軌道エレベーター（「宇宙エレベーター」）構想を発表 宇宙エレベーター：全長約９万6000km 静止衛星軌道（高度約3万6000Km）を挟んで２本の カーボン・ナノチューブ製ケーブルで地上と宇宙を結ぶ 米国航空宇宙局（NASA）のB･C･エドワーズ博士らに よる計画を基礎理論とし、建設会社の技術を利用・建設 ケーブルの「最初の１本」をロケットで宇宙に送り、軌道上から上下に向かって伸ばす

地球側に垂らしたカーノンナノチューブ製ケーブルの末端を地上と結びつけた後、建材を運んで完成させる 人が滞在する施設は、ユニット化した部屋を蜂の巣状に

接合させて大型化する方法で造り、人間が宇宙空間に出て作業する手間を極力省いた

『エレベーターに乗って地上と宇宙を往復』 こんな夢のように壮大な構想を、ゼネコンの 大林組（東京）が20日，2050年に実現させる と発表した。 鋼鉄の２０倍以上の強度を持つ炭素繊維 「カーボンナノチューブ」のケーブルを伝い、 ３０人乗りのかごが、高度３万６０００キロの ターミナル駅まで１週間かけて向かう計画 「宇宙エレベーター」はSF小説に描かれて きたが、1990年代にカーボンナノチューブが 発見され、同社は建設可能と判断した。 ＮＡＳＡなども研究を進めている。 今回のエレベーターのケーブルの全長は、 月までの約4分の1にあたる9万6000kmで、 根元を地上の発着場に固定する。 ターミナル駅には実験施設や居住スペース を整備し、かごは時速200kmで片道7.5日かけて宇宙と地とを往復 ターミナル駅周辺で太陽光発電（パネル）を行い、地上に送電する