セラミックス

セラミック素材の種類

便宜上、セラミック製品は通常4つの分野に分けられており、以下にいくつかの例を挙げて説明する。

• レンガ、パイプ、床、屋根瓦などの構造物
• キルンライニング、ガス焚きラジエント、スチール、ガラス製のるつぼなどの耐火物
• 食器、壁タイル、装飾美術品、衛生陶器などの白物家電製品
• テクニカルセラミックスは、エンジニアリングセラミックス、アドバンスドセラミックス、スペシャルセラミックス、日本ではファインセラミックスとも呼ばれています。スペースシャトル計画で使用されたタイル、ガスバーナーのノズル、防弾チョッキ、核燃料の酸化ウランペレット、バイオ医療用インプラント、ジェットエンジンのタービンブレード、ミサイルのノーズコーンなどがあります。原材料には粘土は含まれていないことが多い。

陶磁器の例

• 磁器
• より高い温度で焼成された「ハードペースト」の磁器。
• 低温で焼成された「ソフトペースト」磁器。ボーンチャイナ
• 土器
• ストーンウェア

テクニカルセラミックスの分類

また、テクニカルセラミックスは、3つの異なる材料カテゴリに分類することができます。

• 酸化物：アルミナ、ジルコニア
• 非酸化物：炭化物、ホウ化物、窒化物、ケイ化物
• 複合材料：粒子状強化、酸化物と非酸化物の組み合わせ

これらのクラスのそれぞれは、ユニークな材料特性を開発することができます。

スペースシャトルが地球大気圏に再突入する際に1,500℃以上に加熱される様子のシミュレーション

セラミックスの特性

機械的性質

セラミック材料は、通常、イオン性または共有結合材料であり、結晶性または非晶質であることができます。いずれかのタイプの結合によって一緒に保持された材料は、任意の塑性変形が行われる前に破壊（破損）する傾向があり、その結果、これらの材料の靭性が低下します。さらに、これらの材料は多くの気孔を持つ傾向があるため、気孔やその他の微細な欠陥が応力集中剤として作用し、靭性をさらに低下させ、引張強度を低下させます。これらが組み合わさることで、通常は金属のはるかに穏やかな破壊モードとは対照的に、破局的な破壊が発生します。

これらの材料は塑性変形を示します。しかし、結晶性材料は構造が硬いため、転位が移動するために利用できるスリップシステムが非常に少なく、そのため変形が非常に遅くなります。非結晶性（ガラス質）材料では、塑性変形の主な原因は粘性流動であり、その変形速度も非常に遅い。そのため、セラミック材料の多くの用途では無視されています。

電気的性質

半導体

半導体であるセラミックスは数多く存在する。その多くは、酸化亜鉛などのII-VI半導体である遷移金属酸化物である。

酸化亜鉛から青色LEDを作るという話もありますが、セラミストが最も興味を持っているのは、粒界効果を示す電気特性です。その中でも最も広く使われているのがバリスタです。

半導体セラミックスもガスセンサーとして採用されています。多結晶セラミックの上に様々なガスを通すと電気抵抗が変化します。混合可能なガスの種類に合わせて調整することで、非常に安価なデバイスを製造することができます。

超電導

極低温などのある条件下では、一部のセラミックスは超電導を示すことがあります。その正確な理由はわかっていませんが、超電導セラミックスには大きく分けて2つのファミリーがあります。

強誘電体とその親族

時計などの電子機器の時間計測に使われる水晶をはじめ、多くのセラミック材料で電気と機械の応答をつなぐ圧電性が発揮されています。これらの素子は電気を機械的な動きに変えて往復させ、安定した振動子を作っています。

圧電効果は、一般的に焦電性も示す材料の方が強く、すべての焦電材料も圧電性である。これらの材料は、熱エネルギー、機械エネルギー、電気エネルギーを相互に変換するために使用できます。例えば、炉で合成した後、応力をかけずに冷却した焦電結晶は、一般的に数千ボルトの静電荷を蓄積します。このような材料はモーションセンサーに使用されており、部屋に入ってきた暖かい体からのわずかな温度上昇が、結晶に測定可能な電圧を発生させるのに十分です。

焦電性は、強誘電体効果を示す材料で最も強く見られます。焦電性は強誘電性の必要な結果でもあります。これは、強誘電体キャパシタ、強誘電体ＲＡＭの素子に情報を格納するために使用することができる。

このような材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛やチタン酸バリウムなどがあります。上記の用途以外にも、その強い圧電応答性は、高周波スピーカ、ソナー用トランスデューサ、原子間力顕微鏡や走査型トンネル顕微鏡のアクチュエータなどの設計に利用されています。

正の熱係数

温度の上昇は、ある種の半導体セラミック材料（主に重金属のチタン酸塩の混合物）では、粒界が突然絶縁性になる原因となります。臨界遷移温度は、化学の変化によって広い範囲で調整することができます。このような材料では、ジュール加熱によって遷移温度に達するまで電流が材料を通過し、その時点で回路が破壊されて電流の流れが停止します。このようなセラミックスは、自己制御発熱体として、例えば自動車のリアウィンドウのデフロスト回路などに使用されています。

遷移温度では、材料の誘電応答は理論的に無限大になる。温度制御ができないため、臨界温度付近では実用的な使用はできませんが、はるかに高い温度でも誘電体効果は非常に強いままです。室温よりもはるかに低い臨界温度のチタン酸塩は、この理由から、セラミックコンデンサの文脈では「セラミック」の代名詞となっています。

セラミックスの分類

非結晶性セラミックス。非結晶性セラミックスは、ガラスであるため、溶融して形成される傾向がある。ガラスは、完全に溶融した状態で、鋳造によって、またはタフィーのような粘度の状態で、鋳型に吹き込むなどの方法で成形されます。後の熱処理により、このクラスのガラスが部分的に結晶化した場合、得られる材料はガラスセラミックとして知られています。

結晶性セラミックス。結晶性セラミック材料は、広範囲の加工には対応できません。それは、その場で反応させて所望の形状のセラミックを作るか、粉末を所望の形状に「成形」してから焼結させて固形物を形成するかです。セラミックの成形技術には、手で成形する方法（「投げ込み」と呼ばれる回転工程を含む場合もあります）、スリップキャスト、テープキャスト（極薄セラミックコンデンサなどの製造に使用されます）、射出成形、ドライプレス、およびその他のバリエーションがあります。セラミックの成形技術も参照のこと。これらのプロセスの詳細は、以下の2冊の本に記載されています)。いくつかの方法では、2つのアプローチの間のハイブリッドを使用しています。

原位置製造

最も一般的に使用されているのは、セメントやコンクリートの製造である。ここでは、脱水された粉末を水と混合します。これにより水和反応が起こり、骨材の周りに長い結晶が形成されます。時間が経つにつれて、これらの結晶は固体のセラミックになります。

この方法の最大の問題点は、ほとんどの反応が速く、良好な混合ができないため、大規模な施工ができない傾向にあることである。しかし、基板の上に各種材料を導入し、基板上で反応させてセラミックを形成する蒸着技術を用いることで、小規模なシステムを作ることができます。これは、化学蒸着などの半導体産業の技術を応用したもので、コーティングに非常に有効です。

これらは非常に密度の高い陶磁器を生産する傾向がありますが、それはゆっくりと行われます。

焼結をベースとした方法

焼結法の原理は単純です。ざっくりとしたもの（「緑体」と呼ばれる）を作った後、窯の中で焼き、拡散過程で緑体が収縮します。窯の中で焼くと緑体が縮み、気孔が閉じて、より高密度で強度の高い製品になります。焼成はセラミックの融点以下の温度で行われます。事実上常にいくつかの気孔率が残っていますが、この方法の本当の利点は、緑色のボディが想像できる任意の方法で生産することができ、まだ焼結することです。これは、それが非常に汎用性の高いルートになります。

このプロセスの何千もの可能な洗練があります。最も一般的なのは、高密度化を先取りし、必要とされる焼結時間を短縮するために、グリーンボディをプレスすることです。時には、グリーン体を一緒に保持するために、ポリビニルアルコールのような有機バインダーが添加されることもあります。プレス中に有機潤滑剤を添加して密度を高めることもあります。これらを組み合わせて、バインダーや潤滑剤を加えて粉末にし、プレスすることも珍しくありません。これらの有機化学添加剤の配合は、それ自体が芸術です。これは、コンデンサ、インダクタ、センサーなどの電子機器に数十億個も使用されているような高性能セラミックの製造において特に重要です。電子機器で最も一般的に使用されている特殊な配合については、R.E.ミストラーらの著書「Tape Casting」、Amer.Ceramic Soc.[Westerville, Westerville]に詳細が記載されています。セラミック・ソサック[Westerville, Ohio], 2000)に詳述されています。このテーマに関する包括的な本には、機械的用途だけでなくエレクトロニクス用途にも対応した「有機添加剤とセラミック加工」（D.J. Shanefield著、Kluwer Publishers [Boston], 1996年）があります。

粉の代わりにスラリーを使用して、所望の形に鋳造し、乾燥させた後、焼成することができます。確かに、伝統的な陶器はこのような方法で行われ、手で作業したプラスチックの混合物を使用しています。

異なる材料の混合物がセラミックで使用される場合、焼結温度は、ときに1つのマイナー成分の融点を超えることがあります-液相焼結-。このため、固相焼結に比べて焼結時間が短くなります。

セラミックスのその他の用途

• いくつかのナイフはセラミックです。セラミックナイフの刃は、それがより脆く、硬い表面の上に落としてスナップすることができますが、はるかに長いスチールのためにシャープなままになります。

• アルミナや炭化ホウ素などのセラミックスは、弾丸をはじくためのボディアーマーとして使用されてきました。同様の材料は軽量であるため、一部の軍用機のコックピットを保護するために使用されています。

• 陶磁器の球が玉軸受の鋼鉄を取り替えるのに使用することができます。硬度が高いため、寿命が3倍になります。また、荷重を受けても変形が少ないため、ベアリングのリテーナ壁との接触が少なく、より速く転がることができます。非常に高速な用途では、転動中の摩擦による熱が金属製ベアリングに問題を引き起こす可能性がありますが、セラミックを使用することで問題が軽減されます。また、セラミックは耐薬品性に優れており、スチールベアリングが錆びてしまうような湿った環境でも使用することができます。セラミックを使用する主な欠点は、コストが高いことです。

• 1980年代初頭、トヨタは6000°F (3300 °C)以上の温度で動作する断熱セラミックエンジンを研究しました。セラミックエンジンは冷却システムを必要としないため、大幅な軽量化が可能となり、燃費が向上します。高温のエンジンの燃費は、カルノの定理でも高くなっています。金属エンジンでは、燃料から放出されたエネルギーの多くは、金属部品を溶かさないように廃熱として放散されなければなりません。これらすべての望ましい特性にもかかわらず、必要な精度と耐久性を備えたセラミック部品の製造が困難であるため、このようなエンジンは生産されていません。セラミックに不備があるとクラックが発生し、エンジンが大破したり、場合によっては爆発したりします。現在の技術では大量生産は不可能です。

• ガスタービンエンジン用のセラミック部品が実用化される可能性がある。現在、エンジンのホットセクションで使用される高度な金属合金で作られたブレードでさえ、冷却と動作温度の慎重な制限が必要です。セラミック製のタービンエンジンは、より効率的に作動し、一定量の燃料で航続距離と積載量を向上させることができる可能性があります。

• バイオセラミックスには、歯科用インプラントや人工骨などがある。骨の天然ミネラル成分であるハイドロキシアパタイトは、多くの生物学的および化学的な供給源から合成的に作られ、セラミック材料に形成することができる。これらの材料で作られた整形外科用インプラントは、拒絶反応や炎症反応を起こすことなく、骨や体内の他の組織と容易に結合します。このため、これらの材料は、遺伝子送達および組織工学の足場として大きな関心を集めています。ほとんどのハイドロキシアパタイトセラミックスは、非常に多孔質で機械的強度に欠けており、骨との結合を形成するのを助けるために、または骨充填材として、金属製の整形外科器具を被覆するために使用されています。また、炎症を抑え、これらのプラスチック材料の吸収性を高めるために、整形外科用プラスチックねじの充填材としても使用されています。整形外科用体重支持装置のための強力で完全に密なナノ結晶ヒドロキシアパタイトセラミック材料を作るための研究が行われており、外国の金属およびプラスチック整形外科用材料を、合成ではあるが天然に存在する骨ミネラルに置き換えている。最終的には、これらのセラミック材料は、骨の代替物として、またはタンパク質コラゲンを組み込んだ合成骨として使用される可能性があります。

• 時計ケースにはハイテクセラミックスが使用されています。この素材は、軽量で傷がつきにくく、耐久性に優れ、滑らかな手触りが評価されています。IWCは、時計製造におけるセラミックの使用を開始したブランドの一つです。