セラミックスとガラス
セラミックスとガラスは、無機質の非金属固体であり、結晶質のセラミックスと非晶質のガラスに分類されます。これらは強いイオン結合と共有結合により、高い硬度、熱的・化学的安定性、および幅広い電気的・光学的特性を示します。
Definition
セラミックスとガラスは、無機質の非金属材料であり、結晶質（セラミックス）または非晶質（ガラス）のいずれかです。これらはイオン結合と共有結合によって結合されており、硬度、熱安定性、電気絶縁性または制御された機能、および固有の脆性を特徴とします。
Scope
この分野では、無機非金属材料の化学を扱います。具体的には、過冷却液体のガラス転移によるガラスの構造と形成、酸化物、炭化物、窒化物を含む結晶構造および機能性セラミックスの機械的、熱的、電気的、光学的特性、そしてセラミックス部品を緻密なボディに固める粉末処理と焼結が含まれます。また、結合と微細構造がこれらの材料の脆性、耐火性、および機能的応答にどのように関連しているかについても考察します。
Sub-topics
Core questions
- ガラスと結晶質セラミックスを区別するものは何ですか？
- 結合はセラミックスにどのように硬度、耐火性、脆性を与えるのですか？
- 機能性セラミックスは電気的および光学的役割のためにどのように調整されるのですか？
- セラミックス粉末はどのようにして緻密な部品に固められるのですか？
Key concepts
- ガラス転移
- ネットワーク形成剤と修飾剤
- 酸化物、炭化物、窒化物セラミックス
- 脆性と破壊
- 焼結と緻密化
- 機能性セラミックス
Key theories
- ガラス転移によるガラス形成
- 溶融体が結晶化を回避するのに十分な速さで冷却されると、粘性が増大する過冷却液体となり、ガラス転移点で非晶質固体へと固化します。ネットワーク形成性酸化物は、ガラスに特徴的なランダムな三次元ネットワークを構築します。
- 結合、微細構造、およびセラミックスの特性
- 強く方向性のあるイオン結合と共有結合は、セラミックスを硬く、剛直で、熱的および化学的に安定させますが、同時に脆くもします。これは、結合を切断せずに変形させる方法が少ないためです。その後、微細構造、特に気孔率と結晶粒径が強度と機能を制御します。
Clinical relevance
セラミックスとガラスは、技術全般において不可欠な材料です。構造用セラミックスは耐摩耗性および耐熱性部品を提供し、機能性セラミックスはコンデンサ、センサー、固体電解質として機能します。光学ガラスはレンズや光ファイバーを形成し、バイオセラミックスはインプラントに使用されます。これらの応用はすべて、ここで説明する結合と微細構造に根ざしています。
History
セラミックスとガラスは、最も古くから存在する人工材料の一つですが、その科学的理解は比較的最近のものです。ザカリアセンの1932年のランダムネットワーク理論はガラス構造を説明し、20世紀半ばのキンゲリーの研究は、加工、微細構造、および特性を結びつけることでセラミックス科学を確立し、経験的な工芸を定量的な材料科学分野へと転換させました。
Key figures
- W. David Kingery
- William Houlder Zachariasen
Related topics
Seminal works
- callister2018
- kingery1976
- shelby2005
Frequently asked questions
- ガラスは固体ですか、それとも液体ですか？
- ガラスは固体です。ほとんどの固体に見られる長距離の結晶秩序を欠く非晶質であり、過冷却液体がガラス転移点で固化することによって形成されます。ガラスが何世紀にもわたって流動するという古い主張は誤解です。室温ではその粘度は測定可能な流動には高すぎます。
- セラミックスはなぜ強くてもろいのですか？
- セラミックスを硬く安定させるのと同じ強く方向性のあるイオン結合と共有結合は、塑性変形のためのメカニズムをほとんど残しません。転位の容易な移動がないため、加えられた応力は欠陥に集中し、亀裂を伝播させます。そのため、セラミックスは曲がることなく脆性破壊によって破損します。