セラミック
様々なスタイルのセラミックの短いタイムライン

セラミックとは、粘土などの無機非金属材料を成形し、高温で焼成して作られる、硬くて脆く、耐熱性、耐腐食性のある様々な材料です。 [ 1 ] [ 2 ]一般的な例としては、土器、磁器、レンガなどがあります

人類が作った最も古い陶器は、家の壁やその他の建造物を建てるために使われた焼成粘土レンガでした。壺、器、花瓶、置物などのその他の陶器は、粘土単体、またはシリカなどの他の材料と混ぜて焼成することで作られ、火で焼結して硬化しました。後に、陶器は釉薬をかけて焼成され、滑らかで色鮮やかな表面を作り出し、結晶質セラミック基板の上にガラス質の非晶質セラミックコーティングを施すことで多孔性を低減しました。 [ 3 ]現在、陶器には家庭用品、工業用製品、建築用製品のほか、半導体などの高度なセラミック工学で使用するために開発された幅広い材料が含まれます。

セラミックという語は古代ギリシャ語のκεραμικός ( keramikós )に由来し、「陶器の、または陶器のための」を意味する[ 4 ] （ κέραμος ( kéramos ) 「陶工の粘土、タイル、陶器」から）。[ 5 ]語根ceram-に関する最も古い記録は、ミケーネ語のke-ra-me-we （陶工）で、線文字Bで書かれている。 [ 6 ]セラミックという語は、材料、製品、または工程を説明する形容詞として、または名詞として、単数形、またはより一般的には複数形のceramicsとして使用される。[ 7 ] 

材料

窒化ケイ素ロケットスラスタ。左：試験台に設置。右：H₂ / O₂推進剤で試験中

セラミック材料は、無機材料、金属酸化物、窒化物、または炭化物材料です。炭素やケイ素などの一部の元素もセラミックスとみなされます。セラミック材料は脆く、硬く、圧縮には強いものの、せん断と引張には弱いという性質があります。酸性または腐食性の環境にさらされた他の材料に生じる化学的侵食に耐えます。セラミックスは一般的に1,000℃から1,600℃ [ 8 ]（1,800°Fから3,000°F）の非常に高い温度に耐えることができます。[ 9 ]

先進セラミック材料の低倍率SEM顕微鏡写真。セラミックの特性上、破壊は重要な検査方法となります。

セラミック材料の結晶化度は大きく異なります。ほとんどの場合、焼成セラミックは、土器、せっ器、磁器の場合のように、ガラス化または半ガラス化しています。イオン結合と共有結合における結晶化度と電子構成が異なるため、ほとんどのセラミック材料は優れた熱絶縁体および電気絶縁体となります（セラミック工学で研究されています）。セラミックの組成/構造には非常に多くの選択肢（ほぼすべての元素、ほぼすべての種類の結合、すべての結晶化度）があるため、この主題の範囲は広大で、識別可能な属性（硬度、靭性、電気伝導性）をグループ全体として指定することは困難です。高融点、高硬度、低伝導性、高弾性率、耐薬品性、低延性などの一般的な特性が標準ですが、[ 10 ]これらの規則にはそれぞれ例外が知られています（圧電セラミック、低ガラス転移温度セラミック、超伝導セラミック）。

ガラス繊維や炭素繊維などの複合材料はセラミック材料を含んでいますが、セラミックファミリーの一部とは見なされていません。[ 11 ]

配向性の高い結晶性セラミック材料は、幅広い加工方法に対応できません。その加工方法は、主に2つのカテゴリーに分けられます。1つは、反応によって所望の形状にセラミックを成形する方法、もう1つは、粉末を所望の形状に「成形」した後、焼結して固体を形成する方法です。セラミック成形技術には、手作業による成形（「スローイング」と呼ばれる回転成形を含む場合もあります）、スリップキャスト、テープキャスティング（非常に薄いセラミックコンデンサの製造に使用）、射出成形、乾式プレスなど、様々な方法があります。

多くのセラミック専門家は、ガラス製造にはセラミック製造工程の複数の段階があり、その機械的特性はセラミック材料と類似しているにもかかわらず、非晶質（非結晶）特性を持つ材料（すなわちガラス）をセラミックとは考えていません。しかし、熱処理によってガラスはガラスセラミックと呼ばれる半結晶性材料に変換することができます。[ 12 ]

伝統的なセラミック原料にはカオリナイトなどの粘土鉱物が含まれますが、より新しい材料には、一般的にアルミナとして知られる酸化アルミニウムが含まれます。アドバンストセラミックスに分類される現代のセラミック材料には、炭化ケイ素と炭化タングステンが含まれます。どちらも耐摩耗性に優れているため、鉱山における破砕装置の摩耗プレートなどの用途に使用されています。アドバンストセラミックスは、医療、電気、電子、装甲などの産業でも使用されています。

歴史

最も古い陶器は、紀元前29,000年から25,000年頃のグラヴェット陶器の小像です

人類は少なくとも26,000年前から独自の陶器を作ってきたようで、粘土とシリカを高熱にさらして融合させ、陶器の材料を形成してきた。これまでに発見された最も古いものは南中央ヨーロッパで、皿ではなく彫刻された像だった。[ 13 ]最も古い陶器として知られているものは、動物性製品と粘土を混ぜて800℃（1,500℉）で焼くことで作られた。陶器の破片は19,000年前のものまで見つかっているが、通常の陶器が一般的になったのは約10,000年後のことである。ヨーロッパの多くの地域に広がった初期の人々は、陶器を使用していたことから、縄で包むことでその文化と呼ばれている。これらの初期のインド・ヨーロッパ人は、陶器がまだ湿っている間にロープを巻いて装飾した。陶器が焼かれるとロープは燃え尽きるが、表面に複雑な溝の装飾模様が残る。

紀元前2500年の縄文土器文化の陶器

車輪の発明は、最終的に、ろくろ成形（ろくろ成形）技術を用いて、より滑らかで均一な陶器の生産へとつながりました。初期の陶器は多孔質で、水を吸収しやすい性質がありました。釉薬技術の発見により、より多くの陶器に応用できるようになりました。釉薬技術とは、陶器にシリコン、骨灰、あるいはその他の材料を塗布して溶かし、ガラス質の表面を作り直すことで、容器の透水性を低下させる技術です。

考古学

陶器の遺物は、過去の人々の文化、技術、行動を理解する上で考古学において重要な役割を果たしています。陶器は考古学遺跡で見つかる最も一般的な遺物の一つであり、一般的には土器片と呼ばれる小さな破片の形で見つかります。収集された土器片の処理は、主に技術的分析と伝統的分析の2つの種類に当てはまります

伝統的な分析では、陶磁器の遺物、破片、そしてより大きな破片を、様式、構成、製造方法、形態に基づいて特定の種類に分類します。これらの類型を作成することで、異なる文化様式、陶磁器の用途、そして当時の人々の技術水準などを区別することが可能になります。さらに、陶磁器の様式の変化を時系列で観察することで、陶磁器を明確な診断グループ（アサンブラージュ）に分離（連想）することが可能になります。陶磁器の遺物と年代が判明しているアサンブラージュを比較することで、これらの作品を年代順に分類することが可能になります。[ 14 ]

陶磁器分析の技術的アプローチでは、陶磁器の遺物や破片の組成を詳しく調査し、材料の供給源を特定し、ひいては製造場所の可能性を探ります。重要な基準は、調査対象の品物の製造に使用された粘土の組成とテンパーです。テンパーとは、粘土の製造初期段階で添加される物質で、その後の乾燥工程を促進するために使用されます。テンパーの種類には、貝殻片、花崗岩の破片、「グロッグ」と呼ばれる粉砕された破片などがあります。テンパーは通常、テンパーされた材料を顕微鏡で観察することで識別されます。粘土の識別は、陶磁器を再焼成し、マンセル土壌色法を用いて色を割り当てるプロセスによって行われます。粘土とテンパーの両方の組成を推定し、両方が存在することが知られている地域を特定することで、材料の供給源を特定できます。遺物の供給源の特定に基づいて、製造場所についてさらに調査を行うことができます。

特性

あらゆるセラミック物質の物理的特性は、その結晶構造と化学組成に直接依存します。固体化学は、微細構造と、局所的な密度変化、粒径分布、多孔性の種類、第二相含有量といった特性との間の基本的な関連性を明らかにしており、これらはすべて、ホール・ペッチの式による機械的強度σ、硬度、靭性、誘電率、透明材料が示す光学的特性といったセラミック特性と相関関係にあります。

セラモグラフィーは、セラミックの微細構造を作製、検査、評価する技術と科学です。セラミックの微細構造の評価と特性評価は、新興分野であるナノテクノロジーで一般的に用いられる空間スケール、すなわちナノメートルから数十マイクロメートル（µm）の範囲で行われることが多く、これは通常、可視光の最小波長と肉眼の解像限界の間のどこかに相当します。

微細構造には、ほとんどの結晶粒、二次相、粒界、気孔、微小亀裂、構造欠陥、および硬度の微小圧痕が含まれます。バルクの機械的、光学的、熱的、電気的、および磁気的特性のほとんどは、観察される微細構造によって大きく影響を受けます。製造方法とプロセス条件は、一般的に微細構造によって示されます。多くのセラミックスの破損の根本原因は、劈開および研磨された微細構造に明らかです。材料科学および工学の分野を構成する物理的特性には、以下が含まれます。

機械的特性

炭化ケイ素製カッティングディスク

機械的特性は、構造材料や建築材料、そして繊維製品において重要です。現代の材料科学において、破壊力学は材料や部品の機械的性能を向上させるための重要なツールです。破壊力学は、応力とひずみの物理学、特に弾性と塑性の理論を、実際の材料に見られる微視的な結晶欠陥に適用することで、物体の巨視的な機械的破壊を予測します。フラクトグラフィは、破壊力学と併せて、破壊の原因を理解するため、また、理論的な破壊予測を実際の破壊で検証するために広く利用されています。

セラミック材料は通常、イオン結合または共有結合で結合しています。どちらの結合でも、材料は塑性変形が起こる前に破壊する傾向があり、その結果、これらの材料は靭性が低下し、脆性挙動を示します。さらに、これらの材料は多孔質である傾向があるため、気孔やその他の微細な欠陥が応力集中部として作用し、靭性をさらに低下させ、引張強度を低下させます。これらの要因が組み合わさることで、金属の より延性のある破壊モードとは対照的に、壊滅的な破壊を引き起こします。

これらの材料は塑性変形を示します。しかし、結晶質材料の剛体構造のため、転位が移動できる滑り系が非常に少なく、変形速度は非常に遅くなります。

脆性挙動を克服するため、セラミック材料開発において、セラミックマトリックス複合材料と呼ばれるクラスが導入されました。この材料にはセラミック繊維が埋め込まれており、特殊なコーティングによって亀裂をまたぐ繊維架橋が形成されます。このメカニズムにより、セラミックの破壊靭性が大幅に向上します。セラミックディスクブレーキは、特殊なプロセスで製造されたセラミックマトリックス複合材料の使用例です。

科学者たちは、大きな変形にも壊れることなく耐えられるセラミック材料の開発に取り組んでいます。室温で変形できる最初の材料は2024年に発見されました。[ 15 ]

強化メカニズム

セラミックスの靭性を向上させ、破壊を防ぐために、多くの戦略が採用されています。これには、亀裂の偏向、微小亀裂の強化、亀裂の架橋、延性粒子の組み込み、変態強化が含まれます

亀裂の偏向は、亀裂をより速い亀裂伝播経路から逸らし、壊滅的な突然の破損を防ぐ強化メカニズムです。[ 16 ]亀裂はウィスカーなどの微細構造を使用して偏向させることができます。1987年の論文で詳述されているモリブデンジシリサイドセラミック材料を強化するために炭化ケイ素ウィスカーを使用する方法のように。 [ 17 ]亀裂を偏向させる第2相は、板状、粒子、または繊維の形をとることもあります。[ 18 ]

マイクロクラック強化は、クラックが伝播するマクロなクラック先端付近でのマイクロクラックの核生成（生成）を伴い、先端が受ける応力を低下させ、したがってクラック伝播の緊急性を低減する。[ 19 ]靭性を向上させるために、第2相粒子をセラミックに組み込んでマイクロクラックを発生させ、応力を緩和して破損を防ぐことができる。[ 20 ]

亀裂の橋渡しは、強力な不連続な強化相が亀裂の伝播先端の背後に力を加え、亀裂の進展を阻害するときに発生します。これらの第二相の橋渡しは、本質的に亀裂を固定し、亀裂の進展を阻害します。亀裂橋渡しは、第二相ウィスカーやその他の形状のウィスカーをセラミックに組み込むことで、靭性を向上させるために利用できます。[ 21 ]

延性粒子セラミックマトリックス複合材料は、金属などの延性粒子がセラミックマトリックス中に分散して構成されています。これらの粒子は、塑性変形によってエネルギーを吸収し、また進行する亀裂を架橋することで靭性を高めます。最大の効果を得るには、粒子同士が互いに分離している必要があります。最も研究されている複合材料は、アルミナマトリックスとニッケル、鉄、モリブデン、銅、または銀などの金属粒子で構成されています。[ 22 ]

変態による強靭化は、材料が応力誘起相変態を起こすことで発生します。一部のセラミックスは、応力誘起マルテンサイト変態を起こすことができます。この変態にはエネルギー障壁があり、エネルギーを吸収することでこれを克服する必要があります。[ 23 ]マルテンサイト変態は、拡散のないせん断変態です[ 24 ] 。高温で安定な「オーステナイト」相または「母相」と、低温で安定な「マルテンサイト」相との間の転移を伴います。[ 25 ]変態はエネルギーを吸収するため、応力誘起マルテンサイト変態は亀裂の進行を抑制し、靭性を高めます。この現象の重要な例はジルコニアです。ジルコニアのマルテンサイト変態は、正方晶構造（オーステナイト相）から単斜晶構造への結晶構造変態を伴います。正方晶から単斜晶への変態に伴う体積増加は、亀裂先端の引張応力を軽減し、さらに亀裂を抑制し、靭性を高めます。[ 23 ]セラミックマトリックス中のジルコニア粒子が製造中に冷却により変態すると、粒子周囲の応力場が微小亀裂の核生成と伸展を促し、材料の靭性を向上させる可能性がある。これらの応力場は、粒子自体だけでなく、亀裂の偏向にも寄与する可能性がある。[ 26 ]

機械的特性を向上させる氷テンプレート

セラミックに大きな機械的負荷がかかった場合、アイステンプレーティングと呼ばれるプロセスを施すことができます。このプロセスにより、セラミック製品の微細構造をある程度制御し、ひいては機械的特性をある程度制御することができます。セラミックエンジニアはこの技術を用いて、目的の用途に合わせて機械的特性を調整します。具体的には、この技術を用いることで強度が向上します。アイステンプレーティングにより、一方向に並んだマクロ的な細孔を形成することができます。この酸化物強化技術の応用は、固体酸化物燃料電池や水ろ過装置において重要です。[ 27 ]

氷テンプレート法で試料を処理するには、溶解したセラミック粉末（イットリア安定化ジルコニア（YSZ）など）がコロイド全体に均一に分散するように水性コロイド懸濁液を調製します[ 28 ]。次に、一方向冷却が可能なプラットフォーム上で、溶液を下から上に向かって冷却します。これにより、一方向冷却に合わせて氷結晶が成長し、これらの氷結晶が溶解したYSZ粒子を固液界面の凝固面へと押し進めます。その結果、コロイド粒子の濃縮ポケットに沿って一方向に並んだ純粋な氷結晶が形成されます。次に、試料を加熱すると同時に圧力を下げて氷結晶を昇華させ、 YSZポケットが焼きなましを開始して、巨視的に整列したセラミック微細構造を形成します。その後、試料をさらに焼結して残留水分を 完全に蒸発させ、セラミック微細構造を最終的に固化させます。

氷テンプレート化の過程では、微細構造の細孔サイズと形態に影響を与えるいくつかの変数を制御することができます。これらの重要な変数は、コロイドの初期固形物負荷量、冷却速度、焼結温度と時間、そしてプロセス中に微細構造の形態に影響を与える可能性のある特定の添加剤の使用です。これらのパラメータを適切に理解することは、異方性多孔質材料の加工、微細構造、および機械的特性の関係を理解する上で不可欠です。[ 29 ]

電気的特性

半導体

セラミックスの中には半導体もあります。そのほとんどは、酸化亜鉛などのII-VI族半導体である遷移金属酸化物です。青色発光ダイオード（LED）を酸化亜鉛から大量生産できる見込みがありますが、セラミックス研究者が最も関心を持っているのは、粒界効果を示す電気特性です。最も広く使用されているものの1つがバリスタです。バリスタは、ある閾値電圧で抵抗が急激に低下する特性を持つデバイスです。デバイスにかかる電圧が閾値に達すると、粒界付近の電気構造が破壊され、電気抵抗が数メガオームから数百オームまで低下します。バリスタの主な利点は、多くのエネルギーを消費でき、自己リセットすることです。デバイスにかかる電圧が閾値を下回ると、抵抗は元に戻ります。そのため、バリスタはサージ保護用途に最適です。閾値電圧とエネルギー許容値を制御できるため、あらゆる用途で使用されています。その能力が最も発揮されているのは変電所で、落雷からインフラを守るために使用されています。応答速度が速く、メンテナンスが少なく、使用による劣化もほとんどないため、この用途には理想的なデバイスです。半導体セラミックはガスセンサーとしても利用されています。様々なガスを多結晶セラミックに通すと、電気抵抗が変化します。ガス混合比を調整することで、非常に安価なデバイスを製造できます。

超伝導

液体窒素で冷却された銅酸化物超伝導体の上に磁石を浮かせることで実証されたマイスナー効果

一部のセラミックスは、極低温などの特定の条件下では高温超伝導を示します（超伝導における「高温」とは30 K以上の温度を指します）。その理由は解明されていませんが、超伝導セラミックスには大きく分けて2つの種類があります。

強誘電性とスーパーセット

圧電性は、電気応答と機械応答を結びつける性質で、時計やその他の電子機器で時間を測定するために使用されるクォーツを含む多くのセラミック材料に見られます。これらのデバイスは、圧電性の両方の特性を利用しており、電気を用いて機械的な動き（デバイスへの電力供給）を生み出し、この機械的な動きを利用して電気を発生させます（信号生成）。測定される時間の単位は、電気が機械エネルギーに変換され、再び電気が機械エネルギーに戻るまでの自然な間隔です。

圧電効果は、一般的に焦電性も示す材料でより強く、すべての焦電性材料は圧電性も有します。これらの材料は、熱エネルギー、機械エネルギー、または電気エネルギーの相互変換に使用できます。例えば、炉内で合成された焦電結晶は、応力を加えずに冷却すると、通常数千ボルトの静電気を蓄積します。このような材料はモーションセンサーに利用されており、温かい物体が室内に入ることで生じるわずかな温度上昇でも、結晶に測定可能な電圧を発生させることができます。

一方、焦電性は、強誘電効果を示す材料で最も強く現れます。強誘電効果では、安定した電気双極子が静電場を印加することで向きを変えたり反転したりします。焦電性は強誘電性の必然的な結果でもあります。これは、強誘電体RAMの要素である強誘電体コンデンサに情報を保存するために利用できます。

最も一般的な材料は、チタン酸ジルコン酸鉛とチタン酸バリウムです。上記の用途以外にも、その強力な圧電応答は、高周波スピーカー、ソナー用トランスデューサー、原子力顕微鏡や走査トンネル顕微鏡用アクチュエーターの設計にも利用されています。

正の熱係数

一部の半導体セラミック材料（主に重金属チタン酸塩の混合物）では、温度上昇により粒界が突然絶縁体になることがあります。臨界転移温度は、化学組成の変化によって広い範囲で調整できます。このような材料では、ジュール熱によって転移温度に達するまで電流が材料を通過し、その時点で回路が切断され、電流の流れが止まります。このようなセラミックは、例えば自動車のリアウィンドウの除霜回路などの自己制御型加熱素子として使用されています

転移温度において、この材料の誘電応答は理論上無限大となります。温度制御が不可能なため、臨界温度付近での実用化は不可能となりますが、誘電効果ははるかに高い温度でも非常に強力です。まさにこの理由から、臨界温度が室温をはるかに下回るチタン酸塩は、セラミックコンデンサの文脈において「セラミック」と同義語となっています。

光学特性

合成サファイア出力窓を備えたCermaxキセノンアークランプ

光学的に透明な材料は、さまざまな波長の入射光波に対する材料の応答に焦点を当てています。周波数選択性光学フィルタは、デジタル画像の明るさとコントラストを変更または強調するために使用できます。周波数選択性導波路を介した誘導光波伝送は、光ファイバーという新興分​​野と、競合する波長または周波数間の干渉がほとんどまたは全くない、さまざまな周波数を同時に伝送媒体（マルチモード光ファイバー）として使用する特定のガラス組成物の能力に関連しています。電磁（光）波伝播によるこの共鳴モードのエネルギーおよびデータ伝送は、低電力ですが、実質的に損失はありません。光導波路は、集積回路（例：発光ダイオード、LED）のコンポーネントとして、またはローカルおよび長距離光通信システムの伝送媒体として使用されます。新興の材料科学者にとって価値のあるもう1つの点は、電磁スペクトルの熱赤外線（IR）部分の放射に対する材料の感度です。この熱追跡能力は、暗視やIRルミネセンスなどのさまざまな光学現象の原因です。

そのため、軍事分野では、可視光線（0.4～0.7マイクロメートル）および中赤外線（1～5マイクロメートル）のスペクトル領域における光（電磁波）を透過する能力を持つ、高強度で堅牢な材料の需要が高まっています。これらの材料は、次世代高速ミサイルやポッド、そして即席爆発装置（IED）からの防御など、 透明装甲を必要とする用途に必要とされています。

1960年代、ゼネラル・エレクトリック（GE）の科学者たちは、適切な製造条件下では、一部のセラミック、特に酸化アルミニウム（アルミナ）を半透明にできることを発見しました。これらの半透明材料は、高圧ナトリウム街灯で発生する電気プラズマを封じ込めるのに使用できるほど透明でした。過去20年間で、熱追尾ミサイルのノーズコーン、戦闘機の窓、コンピュータ断層撮影スキャナのシンチレーションカウンタなどの用途向けに、さらに異なるタイプの透明セラミックが開発されました。一般に、上記のものよりも高い純度が求められるその他のセラミック材料には、次のようないくつかの化合物の形態があります。

  1. チタン酸バリウム（しばしばチタン酸ストロンチウムと混合される）は強誘電性を示し、機械的、電気的、熱的応答が相互に連動し、履歴依存性も示す。電気機械変換器、セラミックコンデンサ、データ記憶素子などに広く用いられている。粒界条件によっては、発熱素子においてPTC効果が生じることがある。
  2. サイアロン（シリコンアルミニウムオキシナイトライド）は、高強度、耐熱衝撃性、耐薬品性、耐摩耗性、低密度を特徴としています。これらのセラミックスは、非鉄金属のハンドリング、溶接ピン、化学産業などで使用されています。
  3. 炭化ケイ素(SiC) は、マイクロ波炉のサセプター、一般的な研磨剤、耐火物として使用されます。
  4. 窒化ケイ素（Si 3 N 4 ）は研磨粉として使用されます。
  5. ステアタイト（ケイ酸マグネシウム）は電気絶縁体として使用されます。
  6. 炭化チタンは、スペースシャトルの再突入シールドや傷防止時計に使用されています。
  7. ウラン酸化物（U O 2）は原子炉の燃料として使用されます。
  8. イットリウムバリウム銅酸化物（Y Ba 2 Cu 3 O 7−x）は高温超伝導体である。
  9. 酸化亜鉛（Zn O）はバリスタの構造に使用される半導体です。
  10. 純粋な二酸化ジルコニウム（ジルコニア）は、室温から実用焼結温度までの間で多くの相変化を起こしますが、化学的に「安定化」することで様々な形態に変化させることができます。高い酸素イオン伝導性を有することから、燃料電池や自動車用酸素センサーへの応用が期待されています。また、準安定構造は機械的用途において変態強化をもたらす可能性があり、ほとんどのセラミックナイフの刃はこの材料で作られています。部分安定化ジルコニア（PSZ）は他のセラミックよりもはるかに脆くなく、金属成形工具、バルブやライナー、研磨スラリー、包丁、激しい摩耗を受けるベアリングなどに使用されています。[ 30 ]

製品

用途別

便宜上、陶磁器製品は通常4つの主要なタイプに分類されます。以下にいくつかの例を示します。[ 31 ]

  1. 構造用（レンガ、パイプ、床タイル、屋根タイル、ガラス質タイルを含む）
  2. 耐火物（窯のライニング、ガス炉の放射体、鉄鋼およびガラス製造用のるつぼなど）
  3. 白物家電製品（食器、調理器具、壁タイル、陶器製品、衛生陶器など） [ 32 ]
  4. テクニカルセラミックス（エンジニアリングセラミックス、アドバンスドセラミックス、スペシャルセラミックス、ファインセラミックスとも呼ばれます）には、以下のような製品が含まれます。

粘土で作られた陶器

現代の陶磁器の原料には粘土が含まれていないことが多い。[ 33 ] 粘土を含むものは以下のように分類される。

  1. 他の種類よりも低い温度で焼かれた土器
  2. 石器、ガラス質または半ガラス質
  3. カオリンを多く含む磁器
  4. ボーンチャイナ

分類

陶磁器は、3つの異なる材質のカテゴリーに分類することもできます

  1. 酸化物：アルミナ、ベリリア、セリア、ジルコニア
  2. 非酸化物：炭化物、ホウ化物、窒化物、ケイ化物
  3. 複合材料：粒子強化、繊維強化、酸化物と非酸化物の組み合わせ。

これらの各クラスは、独自の材料特性に開発できます。

用途

セラミック刃の包丁
ダイビングウォッチのベゼルインサートの耐久性のあるトップ素材として使用されるテクニカルセラミック
  1. ナイフの刃:セラミックナイフの刃はスチールナイフよりも脆く、壊れやすいですが、鋭い切れ味を長く保ちます。
  2. 車両用カーボンセラミックブレーキディスク：高温時のブレーキフェードに対する耐性が非常に優れています。
  3. 高度な複合セラミックおよび金属マトリックスは、成形炸薬弾（HEAT弾）および運動エネルギー貫通体に対する優れた貫通抵抗を備えているため、ほとんどの現代の装甲戦闘車両向けに設計されています。
  4. アルミナや炭化ホウ素などのセラミックは、高速度のライフル弾を撃退するための防弾チョッキのプレートとして使用されています。このようなプレートは、一般的に小火器防護インサート（SAPI）と呼ばれています。同様の軽量素材は、一部の軍用航空機のコックピットの防護にも使用されています。
  5. セラミックボールベアリングは鋼鉄の代わりに使用できます。硬度が高いため、摩耗に対する感受性が低くなります。セラミックベアリングの寿命は通常、鋼鉄ベアリングの3倍です。荷重下でも鋼鉄ベアリングよりも変形が少ないため、ベアリング保持壁との接触が少なく、摩擦が低くなります。超高速用途では、摩擦熱がセラミックベアリングよりも金属ベアリングに多くの問題を引き起こします。セラミックは化学的に耐腐食性があり、鋼鉄ベアリングでは錆びてしまう環境に適しています。用途によっては、電気絶縁性も利点となります。セラミックベアリングの欠点としては、コストが大幅に高いこと、衝撃荷重下で損傷を受けやすいこと、そしてセラミックの高い硬度のために鋼鉄部品が摩耗する可能性があることなどが挙げられます。
  6. 1980年代初頭、トヨタは高温ガス領域にセラミック部品を使用する断熱エンジンの製造を研究しました。セラミックを使用することで、1650℃を超える温度が可能になります。利点としては、材料が軽く、冷却システムが小型（または冷却システムが不要）であることがあり、これにより大幅な軽量化につながります。しかし、期待されていた燃費向上（カルノーの定理で実証されているように、動作温度の上昇による）は実験的に検証できませんでした。高温のセラミックシリンダー壁の熱伝達は、低温の金属壁への熱伝達よりも大きいことがわかりました。これは、金属表面の低温のガス膜が断熱材として機能するためです。このように、セラミックの優れた特性にもかかわらず、製造コストが高額で利点が限られているため、セラミックエンジン部品の広範な採用は進んでいません。さらに、セラミック材料の小さな欠陥と低い破壊靭性により、ひび割れが発生し、危険な機器の故障につながる可能性があります。このようなエンジンは実験的には可能ですが、現在の技術では大量生産は実現できません。
  7. ガスタービンエンジン用セラミック部品の実験が行われています。現在、エンジンの高温部に使用されている先進合金製のブレードでさえ、冷却と動作温度の慎重な監視が必要です。セラミック製のタービンエンジンは、より効率的に動作し、航続距離とペイロードの拡大を実現できる可能性があります。
  8. 近年、歯科インプラントや人工骨などのバイオセラミックスを含むセラミックスの分野で進歩が遂げられています。骨の主要ミネラル成分であるハイドロキシアパタイトは、いくつかの生物学的・化学的成分から合成されており、セラミック材料に成形することができます。これらの材料でコーティングされた整形外科用インプラントは、拒絶反応や炎症反応を起こすことなく、骨やその他の体内の組織に容易に接着します。遺伝子送達や組織工学の足場材料として大きな関心を集めています。ほとんどのハイドロキシアパタイトセラミックスは多孔質で機械的強度が不足しているため、金属製の整形外科用器具をコーティングして骨との接着を助けるため、あるいは骨充填材としてのみ使用されています。また、炎症を軽減し、これらのプラスチック材料の吸収を高めるために、整形外科用プラスチックネジの充填材としても使用されています。整形外科用体重負荷装置用の高強度で高密度のナノ結晶ハイドロキシアパタイトセラミック材料を開発する研究が進められており、金属やプラスチック製の整形外科用異物材料を、合成でありながら天然に存在する骨ミネラルで置き換えようとしています。最終的には、これらのセラミック材料は骨の代替品として使用したり、タンパク質コラーゲンを組み込んで合成骨を製造したりすることができます。
  9. アクチニド含有セラミック材料の用途としては、余剰プルトニウム（Pu）を燃焼させるための核燃料、あるいは無人宇宙船やマイクロエレクトロニクス機器の電源における化学的に不活性なアルファ線源などが挙げられます。放射性アクチニドの使用と廃棄には、耐久性のあるホスト材料への固定化が必要です。アクチニドのような半減期の長い放射性核種は、化学的に耐久性のある多結晶セラミックスや大型単結晶をベースとした結晶材料を用いて固定化されます。[ 34 ]
  10. 時計ケースの製造にはハイテクセラミックが使用されています。この素材は、軽量性、耐傷性、耐久性、そして滑らかな手触りから時計職人に高く評価されています。IWCは、時計製造におけるセラミックの使用を先駆的に進めたブランドの一つです。[ 35 ]
  11. セラミックは、高い硬度、耐傷性、そして放熱性を備えているため、携帯電話本体の設計に使用されています。[ 36 ]セラミックの熱管理特性は、高負荷使用時でもデバイスを最適な温度に保ち、パフォーマンスを向上させるのに役立ちます。さらに、セラミック素材はワイヤレス充電に対応しており[ 37 ] 、アンテナに干渉する可能性のある金属に比べて信号伝送性能に優れています。[ 38 ] AppleやSamsungなどの企業は、デバイスにセラミックを採用しています。[ 39 ] [ 40 ]
  12. 炭化ケイ素製のセラミックスは、耐腐食性があるため、ポンプやバルブの部品に使用されています。 [ 41 ]また、放射線や熱応力に耐える能力があるため、原子炉の燃料被覆材としても使用されています。[ 42 ]炭化ケイ素セラミックスのその他の用途には、製紙、弾道学、化学製品の製造、配管システムの部品などがあります。 [ 43 ]

参照

参考文献

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さらに詳しい文献

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