slide1 n.
Download
Skip this Video
Loading SlideShow in 5 Seconds..
セラミックス PowerPoint Presentation
Download Presentation
セラミックス

Loading in 2 Seconds...

play fullscreen
1 / 24

セラミックス - PowerPoint PPT Presentation


  • 173 Views
  • Uploaded on

セラミックス. セラミックスの物性. 第 9 回 6月 1 7日 ( 水). セラミックスの物性 ーセラミックスの材料物性ー. ①  熱的機能 ② 機械的機能 ③ 生物・化学的機能 ④ 電気・電子的機能(含 磁気材料関連) ⑤ 光学的機能 ⑥ 原子力関連機能. 機能大分類:. 表1.4  ニュ-セラミックスの機能・材料・応用製品. 熱的性質. ◎ セラミックス材料特有の熱的問題点 (1)熱衝撃による脆性破壊現象* )             ・・・セラミックスの一般的特徴(← 「セラミックス材料の問題点」 )

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about 'セラミックス' - bikita


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
slide1

セラミックス

セラミックスの物性

第9回 6月17日(水)

slide2
セラミックスの物性ーセラミックスの材料物性ーセラミックスの物性ーセラミックスの材料物性ー

① 熱的機能

② 機械的機能

③ 生物・化学的機能

④ 電気・電子的機能(含 磁気材料関連)

⑤ 光学的機能

⑥ 原子力関連機能

機能大分類:

slide4
熱的性質

◎セラミックス材料特有の熱的問題点

(1)熱衝撃による脆性破壊現象*)

            ・・・セラミックスの一般的特徴(←「セラミックス材料の問題点」)

 「セラミックスの熱膨張係数」[:表4.1参照]

            ・・・金属材料に比べ温度変化に伴う変形能が小さい

*)熱衝撃:材料における熱の急激な変化(急激な温度変化)に伴う

      脆性破壊現象

表4.1 セラミックス材料の熱膨張係数(線膨張係数)

slide5

『熱応力の定義』・・・材料内部に温度分布や温度勾配がある時に熱応力が発生『熱応力の定義』・・・材料内部に温度分布や温度勾配がある時に熱応力が発生

σt=E×ΔT×α

σt:熱応力

    E:弾性率(セラミックス:Eは大):次ページの図(弾性率Eの定義)参照

ΔT:材料内部(例えば両表面部)での温度差

              (セラミックス・・・熱伝導が悪いため、通常ΔTは大)

α:熱膨張係数(セラミックス・・・αは小)

  熱応力の発生要因:①脆くて弾性率Eの大きい材料[:表4.2参照]

               ②急激な熱の出入りがある

              ③熱伝導率が小さくて熱膨張係数αの大きい(通常は小)材料

 *)熱応力による脆性破壊[=熱衝撃]:熱応力が大きくなり、表面での引張り破壊が

  生じるようになると、亀裂が発生し始め、さらに亀裂が進行して全体の破壊に至る

(2)多結晶体固有の異方性(結晶粒の配列、整合性等)に起因した高温焼結後

   ・冷却時に生じる粒界部微小応力やひずみによる脆性の発生

セラミックス材料固有の問題点

(3)熱伝導率[:図4.3参照]

     ・・・金属材料に匹敵するセラミックスの開発(ダイヤモンド,CBN,

        BeO,SiC,AlN,TiC)

                  ↓

        温度勾配が小さくなるため熱応力も小さくなり耐熱衝撃性が向上

slide7

セラミックス材料・・・

熱応力:σtが大きく、これにより脆性破壊を生じやすい(≡“熱衝撃”)

(通常はαは小さいが、Eと⊿Tが非常に大きく、σtは大となる)

<熱衝撃による脆性破壊機構>

slide8

表4.2 各種材料の弾性率:E(Nm-2)

図4.3 各種材料の熱伝導率(W/m・K)

slide9
機械的特性

◎基礎概念[:図4.4,図4.5参照]

σ=P/A(σ:応力,P:引張り荷重,A:試料の断面積)

εz=Δl/l0(εz:ひずみ,Δl:荷重Pを加えた時の伸び,l0:最初の長さ)

σ=Eεz(E:弾性係数=弾性率=ヤング率)

図4.4 材料の変形:引張り(a),せん断(b)

        ,体積圧縮(c)

図4.5 応力-ひずみ曲線(:室温)

(a)金属材料の場合,(b)セラミックスの場合

[重要]:金属材料とセラミックス材料の破壊機構

(:「応力-ひずみ曲線」)の違い

slide10

 セラミックス・・・[常温域]:弾性限界を超えると亀裂発生・成長→破壊 セラミックス・・・[常温域]:弾性限界を超えると亀裂発生・成長→破壊

          [高温域]:結晶粒界の軟化→粒界すべりに伴う延性の発現

※セラミックス材料の製造時に生じた微小亀裂,気孔,介在物または表面の粒界溝

  に応力集中が加わって、亀裂が発生,成長

                  ↓

 亀裂の進行に対する抵抗性=「破壊靭性」

  ・・・一方向引張り応力の場合:臨界応力拡大係数(K1C)[:表4.3参照]

      :金属比べ、著しく小さい

       (K1Cが大きければ、亀裂が進行しにくく、破壊に至る時間が長い)

                  ↓

     Al2O3,SiC,Si3N4,ZrO2

      ・・・セラミックスのなかではK1Cが比較的大きいため、セラミックス

         エンジン,高温用機械材料への開発が進展

slide11

表4.3 各種セラミックス材料と合金鋼のK1C(M・N・m-3/2又はM・Pa・m1/2)表4.3 各種セラミックス材料と合金鋼のK1C(M・N・m-3/2又はM・Pa・m1/2)

slide12

気孔率と強度の関係[:図4.6参照]

 ・・・試験温度に依存せず極端な強度の低下

 [対策]:①気孔の発生がない完全焼結

      ②結晶粒の微細化(結晶粒界に存

       在する微小亀裂や微小残留応力

       の起源・・・結晶粒の熱膨張・

       収縮の異方性に起因)

      ③結晶粒の規則配列(整合化)

       を促進          

         ↓

「セラミックスの機械的性質」

 ・・・結晶粒径と気孔率に大きく依存する

図4.6 アルミナセラミックス

曲げ強さと気孔率の関係

slide13

補足:

1. アルミナセラミックス・・・酸化物セラミックスの代表

 特徴:セラミックスの中で最も使用量が多く、かつ古い歴史をもつ代表的材料

    (・・・1930年,ドイツ・ジ-メンス社による自動車用スパ-クプラグ

       の絶縁体が最初の実用材料)

 主要機能特性[:図1,図2,表1,図3参照]

  :①電気・電子的機能,②機械的機能,③熱的機能,

④生物・化学的機能, ⑤光学的機能

slide15

図2 アルミナセラミックスの       図3 アルミナセラミックスの図2 アルミナセラミックスの       図3 アルミナセラミックスの

         高温強度               絶縁特性

slide16

高純度かつ

 微粒が最良

表1 アルミナセラミックスの構造特性

slide17

応用例

  :①電気・電子的機能・・・電気絶縁性(ex.スパ-クプラグ,IC基板,

               ICパッケ-ジ)[:図4,図5参照]

   ②熱的・機械的機能・・・高温高強度特性,耐摩耗性(ex.切削用工具,

                                       エンジン用材料)

   ③透光性機能・・・単結晶Al2O3(サファイヤ)

             :高圧Naランプの発光管,高温用赤外線検知用窓材

            単結晶Al2ーxCrxO3(x=0.00067,ルビ-)

             :固体レーザー発振素子

   ④生物・化学的機能・・・生体用材料(耐食性,機械特性,生体適合性良好)

図4 スパ-クプラグの構造

slide19

2. ジルコニアセラミックス

 ZrO2:1100℃で結晶変態(低温:単斜晶→高温:正方晶)

                ↓

      数%の容積変化の発生(亀裂発生に伴う自己破壊の誘発)

                ↓

     ∴安定化剤の添加(CaO,MgO,Y2O3を数%~数十%添加)

       ・・・室温で立方晶を呈し、高温での結晶変化がない

『安定化ジルコニア(Stabilized Zirconia)』

       ・・・Zr4+とCa2+,Mg2+,Y3+の置換によって結晶格子中に酸

         素イオンが不足し、酸素イオンの伝導体(=『固体電解質』)と

        して応用→各種酸素センサ素子[:図6,図7,図8,図9参照]

slide20

                ↓

『部分安定化ジルコニア(PSZ:Partially Stabilized Zirconia)』

       ・・・正方晶ZrO2(高温安定相),あるいは正方晶ZrO2+立方

         晶ZrO2(安定化ZrO2)の混在構造

         :強靱,高強度セラミックス材料

         [機構]:PSZセラミックスに外力が加えられた場合、正方晶

             構造が単斜晶構造に相転移して、外力を相転移の駆動エ

             ネルギ-として吸収する

            ∴『結晶転移による強化機構』

              ・・・TTZ(Transformation Toughened Zirconia)

               特徴:①高強度,高靭性[:図10参照]

                   ②熱伝導率は小さく(断熱性良好)、熱膨張

                    係数は金属に近い[:図11参照]

PSZ

:高温・高強度

   構造材料

Y3+:結合手が3つ

O2-のホールを介した

      イオン伝導

(・・・結晶中を移動)

 図6 Y2O3添加による

ZrO2の安定化(単斜晶

から立方晶型への相転移)

Zr4+:結合手が4つ

O2-: 〃  が2つ

slide21

図7 安定化ZrO2固体電解質を用いた     図8 自動車用排気ガス用図7 安定化ZrO2固体電解質を用いた     図8 自動車用排気ガス用

    酸素センサの酸素濃度と起電力の関係     酸素センサ素子の構造

    E=55.7log10PR/PM

 (E:起電力,PR:大気中の酸素濃度,PM:被測定ガスの酸素濃度)

PR(大気中のO2量)

E(O2-のイオン伝導によって生じた起電力) = 55.7log10

PM(測定ガス中のO2量)

slide23

図10 部分安定化ZrO2(PSZ)の強度と破壊靭性図10 部分安定化ZrO2(PSZ)の強度と破壊靭性