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セラミックス (ceramics) とは、広義には陶磁器全般であるが、狭義では、基本成分が金属酸化物で、高温での熱処理によって焼き固めた焼結体を指す。

近年では、シリコンのような半導体や、炭化物、窒化物、ホウ化物などの無機化合物の成形体、粉末、膜など無機固体材料の総称として用いられている。セラミックスの語源は、ギリシャ語の「keramos」(粘土を焼き固めたもの)と言われている。

セラミックスは次のような性質を持っている。

・常温で固体

・硬度は高いが、脆性破壊する

・強度、破壊靭性が内部の局所的な欠陥構造に左右されやすい

・耐熱性に優れるが、熱衝撃破壊を起こしやすい

・金属より軽く、プラスチックより重い

ただし、上記のようにセラミックスと呼ばれる物質群は、極めて広汎で、その特性も様々であり、上記の性質が必ずしも当てはまらないものもある。

◆ セラミックスの種類

・陶磁器

・ガラス

・セメント

・石膏

・ほうろう・・・但しこれは金属の基材に釉薬皮膜を施したものであるので狭義のセラミックには含まれない。

・ファインセラミックス(ニューセラミックス): 誘電性・磁性・光学的な面などで高機能をもつ。医療用、IC基板、コンデンサなどの材料として利用されている。

セラミックスは、組成の面から、以下に分類される。

・元素系 例:ダイヤモンド (C)

・酸化物系 例:アルミナ (Al₂O₃)、ジルコニア

・水酸化物系 例:ハイドロキシアパタイト

・炭化物系 例:炭化ケイ素 (SiC)

・炭酸塩系

・窒化物系 例:窒化ケイ素

・ハロゲン化物系 例:蛍石

・リン酸塩系

主なファインセラミックス

・チタン酸バリウム 誘電性を持ち、その機械的、電気的、熱的な性質から、電気機械変換器、コンデンサとして広く用いられている。粒界でPTC効果を持つため、ヒータ材料としても用いられる。

・Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀ 高温超伝導セラミックス

・窒化ホウ素 炭素とよく似たグラファイト構造とダイヤモンド構造をとる。

・フェライト 磁性を持ち、変圧器の芯として用いられる。

・チタン酸ジルコン酸鉛 高い圧電性をもち、センサ、アクチュエータ材料として用いられる。

・炭化ケイ素 代表的な耐火材

・窒化ケイ素 高い靱性をもち、構造材、研磨剤として用いられる。

・ステアタイト 代表的な絶縁材料

・YBa₂Cu₃O_7-δ 高温超伝導セラミックス

・酸化亜鉛 半導体であり、バリスタの材料として用いられる。

・ジルコニア 室温と焼結温度の間で相転移することを利用した部分安定化ジルコニアは高い靱性を持ち、セラミックナイフやはさみなどに使われる。また、高温で固体電解質となり、燃料電池や酸素センサの材料として用いられる。また近年、金属に変わる差し歯やブリッジの歯科治療材料(セルコン)としても着目されており、需要が増えている。

◆ 歴史

古くは土器に始まる。日本においては、縄文式土器、弥生式土器に始まり、時代を経て陶器・磁器へと発展し、近年では、光触媒機能をもったセラミックス繊維も開発されている。

◆ 日本におけるセラミックスの名称

昔、日本では可塑性の合成樹脂材料をプラスチックと呼び、その製品をプラスチックスと区別していたように、セラミックスも、材料をセラミック、製品をセラミックスと呼んでいた。だが、最近では、両者の区別があいまいになっている。

なお、英語ではセラミック(ceramic)は「陶器の」「陶芸の」という意味の形容詞であるため、厳密にはセラミックスが正しいと考えられる。しかし、日本では、1文字短いセラミックの方が多く使われているようである。

◆ 製造方法

原料調合 => 成形 => 乾燥・仮焼 => 華飾・施釉 => 焼成 => 仕上げ加工

◇ 主な成形方法

成形とは、原料を焼き固める(焼結)前に、形を整える工程である。完成品の用途に応じてさまざまな成形方法を使い分ける。

  乾式成形

・一軸加圧成形(金型成形)

粉体(原料)を金型に入れて、加圧し成形する方法。量産性が非常によく、もっとも一般的な方法である。作成される成形体の密度は不均一で、密度が均一な成形体を求める場合には適さない。また、得られる成形体の形は、単純な形状に限られる。

・CIP(冷間静水圧成形)

ゴム型に粉体を充填して、静水圧を印加して成形する方法。作成される成形体の密度は均一で、一軸加圧成形の欠点を克服しているが、設備に高いコストがかかる。

・HP(ホットプレス)、HIP(熱間静水圧成形)

HPとは、焼結を伴いながら一軸加圧成形である。HIPとは焼結を伴いながら静水圧で成形する方法である。

  塑性成形

・ろくろ成形

杯土(原料)を回転台の上に乗せ、回転させながら、形を整える方法である。設備は簡単であるが、量産性はない。皿やつぼなどの少量生産の製品や、芸術品を作るときに用いられる。

・押出し成形

トコロテンのように、杯土を口金を通じて押し出して成形する方法である。連続生産が可能で、棒状やパイプ状・ハニカム状の製品を作る場合に用いられる。成形体に、配向が残るという欠点がある。

・射出成形

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