構造セラミックスと機能性セラミックス

構造セラミックスは、その硬度、強度、耐熱性、耐摩耗性のために選ばれる結晶性無機固体であり、一方、機能性セラミックスは、誘電性、圧電性、イオン挙動などの電気的、磁気的、または光学的応答のために選ばれる。

Definition

構造セラミックスは、主にその機械的および熱的特性のために使用される結晶性無機非金属材料であり、機能性セラミックスは、その結晶構造と欠陥化学に起因する特定の電気的、磁気的、または光学的機能のために使用される材料である。

Scope

このトピックでは、利用される特性によって分類された結晶性エンジニアリングセラミックスについて扱う。機械的および熱的性能に用いられるアルミナ、ジルコニア、炭化ケイ素、窒化ケイ素などの構造セラミックス、ならびにコンデンサ、圧電素子、センサーとして用いられるペロブスカイト型チタン酸塩などの機能性（電子）セラミックス、フェライト、固体電解質酸化物を含む。組成と微細構造が破壊靱性、耐火性、および機能的応答にどのように関連するかを説明する。

Core questions

• どのようなセラミックスが構造的役割を果たし、それらに強度と耐火性を与えるものは何か？
• セラミックス固有の脆性をどのように軽減できるか？
• どのような結晶化学的特徴がセラミックスを誘電性、圧電性、またはイオン伝導性にするのか？
• 組成と微細構造はセラミックスの機能をどのように調整するのか？

Key concepts

• アルミナ、ジルコニア、炭化ケイ素
• 破壊靱性と欠陥制御
• 変態強化
• ペロブスカイト型誘電体と圧電体
• フェライト
• 固体電解質セラミックス

Key theories

構造セラミックスの強化

セラミックスは破壊前にほとんど変形しないため、その信頼性は欠陥の制御と、ジルコニアにおける応力誘起相変態のような強化メカニズムに依存する。これは亀裂先端でエネルギーを吸収し、破壊靱性を向上させる。

機能性セラミックスの結晶化学

機能的応答は構造に由来する。ペロブスカイト型チタン酸塩は極性歪みにより高い誘電率と圧電性を示し、フェライトは超交換相互作用により磁気的に秩序化し、欠陥ドーピングされた酸化物は空孔を介してイオンを伝導する。これらはそれぞれ組成と微細構造によって調整可能である。

Mechanisms

変態強化では、準安定相が亀裂先端付近で体積変化を伴って変態し、亀裂を閉じ、エネルギーを吸収する。機能性セラミックスでは、極性格子歪みが電荷を蓄積し、ひずみと結合する一方、ドーピングによって導入された酸素空孔がイオン電流を運ぶ。

Clinical relevance

構造セラミックスは切削工具、エンジンおよびタービン部品、耐摩耗性および生体医療用インプラントを提供する一方、機能性セラミックスは多層コンデンサ、圧電アクチュエータおよびセンサー、磁性フェライトコア、固体酸化物燃料電池電解質の基礎となる。

History

キンゲリーによって創始された20世紀のセラミックス科学は、伝統的な陶器や耐火物を、加工、微細構造、特性を結びつける定量的分野へと変革した。1970年代のジルコニアにおける変態強化の発見は、セラミックスに実用的な靱性をもたらし、一方、チタン酸塩誘電体および圧電体に関する並行研究は、電子セラミックス産業を創出した。

Key figures

• W. David Kingery
• Ronald Garvie

Seminal works

• kingery1976
• barsoum2003

Frequently asked questions

ジルコニアがほとんどのセラミックスよりも強靭であるのはなぜですか？

ジルコニアは、準安定な結晶相が室温で保持されるように加工することができる。亀裂が伝播する近くで、応力によってこの相がわずかな体積膨張を伴って変態し、亀裂を閉じ、エネルギーを吸収することで、破壊靱性が大幅に向上する。

ペロブスカイト型チタン酸塩がエレクトロニクスで広く使用されているのはなぜですか？

チタン酸バリウムなどのチタン酸塩のペロブスカイト構造は、非常に高い誘電率と圧電結合をもたらす小さな極性歪みを支持する。組成と微細構造を調整することで、これらの特性はコンデンサ、センサー、アクチュエータ向けに調整できる。