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セラミックス

セラミックス. 第 4 回目. 5 月　 7 日（水）　 担当教員：永山　勝久. 材料の性質を規定する 化学結合. [ 物性を規定する基礎的因子 ]. ① 金属結合 ② イオン結合 ③ 共有結合 ④ ファンデル・ワールス結合 ( 気体 分子間結合 ) . 化学結合. セラミックスの結合様式. (4 つの形式 ). 表 1 化学結合の種類と主な特徴. 金属光沢. ◎ 化学結合＝材料の性質 ( 物性 ) を支配. [ 金属結合 ]. [ イオン結合，共有結合 ]. [ 共有結合，分子間結合 ]. ＋. ＋. ＋. ＋. ＋. ＋.

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Presentation Transcript

  1. セラミックス 第4回目 5月　7日（水）　 担当教員：永山　勝久

  2. 材料の性質を規定する 化学結合 [ 物性を規定する基礎的因子 ] ①金属結合 ② イオン結合 ③ 共有結合 ④ ファンデル・ワールス結合 ( 気体 分子間結合 ) 化学結合 セラミックスの結合様式 (4つの形式) 表1 化学結合の種類と主な特徴 金属光沢 ◎化学結合＝材料の性質(物性)を支配 [金属結合] [イオン結合，共有結合] [共有結合，分子間結合]

  3. ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ (1) 金属結合　　＜・・・金属の特徴の起源＞ [定義] ; 原子の最外殻の価電子が原子核 ( 陽子＝正電荷 ) の拘束を 　　　　　 離れ [ ・・・『金属原子の自由電子放出に伴う陽イオン化』 ]， 自由電子 として，結晶全体の金属陽イオン ( 原子 ) に共有され て，これを媒介として原子どうしを結合する化学結合様式 ①自由電子・・・熱や電気の伝導媒体 金属は熱や電気の良導体 『金属の特徴』 自由電子に依存 ＝ ②自由電子・・・光により励起 [ 光 (=電磁波) エネルギーにより遷移 ] 金属特有の光沢 ( 金属光沢 ) ③自由電子・・・金属陽イオン間における結合に自由度を寄与 　　　　　　　　　　 ＜結合の手が無数存在するために破壊は生じにくい＞ 金属結晶 の概念図 金属の塑性変形 ( 展延特性 ) 自由電子 金属陽イオン

  4. (単一元素) (2) 無機材料 [半金属(B,Si,C・・・)，酸化物，窒化物，ホウ化物，塩化物] の結合形式 “セラミックス” [ 定義 ] ◎「イオン結合」 → 陽(＋)イオンと陰(－)イオン間の電気的引力に起因 2つの 結合形式 (静電引力= クーロン力) 代表例)：NaCl = Na+-Cl- する化学結合様式 ◎「共有結合」 11Na：1s22s22p63s1 e- ※ [Ne] 17Cl：1s22s22p63s13p5 [Ar] ○イオン間に働く力 1)陽イオン－陰イオン ; 引力 2)陽イオン－陽イオン ; 斥力 ( 反発力 ) 3)陰イオン－陰イオン ; 斥力 ( 反発力 ) ◎3つのクーロン力・・・ 同種イオン間 イオン性結晶 ・・・ 全体として引力が斥力よりも大きくなる ( 図1，図2参照 ) ； +，-イオン間のクーロン引力 ( 静電引力 ) により，結晶を形成する 結晶を構成 ( 引力＝斥力 )

  5. 100 0 2 4 6 8 10 12 ∞ -100 -200 引力≧斥力 Clの電子 親和力 NaCl結晶のイオン間距離 Naのイオン化 ポテンシャル (核外電子全て) 最適距離 イオン間距離が極端に近くな ると，両原子 (両イオン) が 有する電子と原子核の陽電 荷間におけるクーロン引力が 増大し，ポテンシャルエネル ギーは急激に増大する ( イオン間距離 ) ポテンシャルエネルギー kcal/mol e : 電荷 r : イオン間距離 クーロン引力： 結合力＝引力 -e2/r 弱い ポテンシャルエネルギー 　　　　　　　　　　　： (両イオン間の 距離が遠い) 図1Na+とCl-との クーロン引力によるポテンシャルエネルギー 斥力 (同種イオン間のポテンシャルエネルギー) 引力と斥力の 合成 ポテンシャル エネルギー ・最も安定な位置 = イオン間距離 陽イオン，陰イオンの電子雲が重なり合う 合成ポテンシャルエネルギーの 極小値 r ポテンシャルエネルギー (：イオン間距離) 陽イオン，陰イオンが離れている = 引力 “イオン間距離” ・斥力+引力の最小値＝ ・・・引力と斥力の最適距離 (安定) 陽イオン，陰イオンがひっついている 図2　イオン間距離と 引力 ， 斥力 の関係 (引力と斥力の平衡関係)

  6. イオン結合の特徴(：熱伝導機構) (高熱伝導性セラミックスと非熱伝導性セラミックス) ◎イオン結合性結晶 (セラミックス) の熱伝導機構 cf. 金属材料 熱伝導媒体 ・・・ 『フォノン(phonon)』 自由電子が 　熱の伝導体 ○結晶中で規則配列する原子を “格子” と考え，格子位置での 原子の振動エネルギーを 「フォノン」 と定義 ( フォノン ・・・ “格子の振動” をエネルギーを持った 粒子 と仮定) = 『量子』 (振動子) 熱伝導機構 ・・・ 「アインシュタイン・モデル(バネ・モデル)」 (図 参照) ① 物体を端面 (片側) 加熱 ② 加熱面での原子振動の増大 (軽元素ほど大きい) ③ 隣接正負イオン間でのイオン結合を介して，格子振動が 伝播 (フォノンの伝播) ・・・“格子振動による伝播” ◎軽元素ほど格子振動は大きく、その伝播は容易 熱伝導率 ； Al2O3 (約20W/m・k，Al原子量 : 27 ) ZrO2 (約 4W/m・k，Zr原子量 : 91 ) 5分の１

  7. アインシュタイン・モデル バネ 端面 バネ (a) (b) 加熱 加熱 軽元素 ・・・ 格子振動は大 熱伝導は容易 端面 重元素 ・・・ 格子振動は小 ＜熱伝導率 ： 小＞ 図3　熱伝導のモデル (アインシュタイン・モデル) ： 結晶の左端から右端への 　　　　　加熱に伴う格子振動に伴う熱伝導現象の説明 (a) 軽元素 (振動大，高熱伝導性) ， (b) 重元素 (振動小)

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