セラミックス

セラミックスまたはセラミック英語: ceramic)とは、狭義には陶磁器を指すが、広義では窯業製品の総称として用いられ、無機物を加熱処理し焼き固めた焼結体を指す[1]。金属や非金属を問わず、酸化物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。伝統的なセラミックスの原料は、粘土や珪石等の天然物である。なお、一般的に純金属や合金の単体では「焼結体」とならないためセラミックスとは呼ばれない。

ImariA
伊万里焼の皿
Ceramic electric insulator
高電圧用セラミック碍子

特徴

一般的にセラミックスは次のような性質を持っている。ただし、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、下記の性質が必ずしも当てはまらない。

歴史

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。

古くは土器に始まる。日本においては、縄文土器弥生土器に始まり、時代を経て陶器磁器へと発展した。近年では、光触媒機能をもったセラミックス繊維などが開発されている。

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。一般的には伝統的なガラス陶磁器製品とは区別されて、1980年代以降はファインセラミックスに相当するものを「セラミックス」と呼ぶことが多い。

なお、英語の「ceramic(セラミック)」は物質名詞としてよりも、「陶器の」、「陶芸の」という意味として用いられる例の方が多く、本項のように各種の製品を総称する場合は複数形の「ceramics(セラミックス)」を用いるのが通常適切である。しかし、日本では、製品総称においても英語などでは名詞の単数形あるいは形容詞に当たる「セラミック」という表現が広く使われている。

主なセラミックスの種類

Si3N4bearings
窒化ケイ素の成形品

セラミックスは、組成の面から、以下に分類される。

セラミックスの用途

  • 陶磁器
  • ガラス
  • セメント
  • 石膏
  • 複合装甲
  • 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。
  • 代用陶器...第2次大戦中の金属類回収令を受け、金属製品の代用として開発流通し、戦後消滅した。当初は通常の陶磁器の域であったが、製造時にベークライトなどを混ぜることにより、鉄器のような強度を持たせることに成功した[2]
  • ファインセラミックス(ニューセラミックス):天然原料ではなく、高純度で精密に制御された微粉末を原料とする。
    • エンジニアリングセラミックス : 熱的機能、機械的機能の優れたファインセラミックス。

主なファインセラミックス

BaTiO3ceramics
チタン酸バリウムのセラミック(袋入り)
Ceramic magnets
フェライト磁石

より高度な機能が要求される場合、基材の粒径は均一化される共に純度は高められる[3]。用途により基材には微量の添加物が加えられる。誘電性・磁性・光学的な面などで高機能をもつ。医療用、電子部品IC基板コンデンサなど)の材料として利用されている。

製造方法

原料調合 → 成形 → 乾燥・仮焼 → 華飾・施釉 → 焼成 → 仕上げ加工の手順で製造される。

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。

ところてんのように、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

原料に樹脂を混ぜ可塑性を持たせ、金型に射出して成形する方法。複雑形状の成形体を作ることができ、密度は均一でかつ寸法精度も良い。一方、加熱して樹脂を除く脱脂工程で二酸化炭素が排出されたり、脱脂時間が長く多くのエネルギーを要するため、環境に悪い成形方法とも言われる。(プラスチックの射出成形については、射出成形を参照)

鋳込み成形

  • 泥漿(でいしょう)鋳込み

泥漿を型に流し込み、着肉後、排泥するか、そのまま固化して成形体を得る方法。簡単な設備で複雑な形状の成形体が得られる。生産性が悪い、寸法精度が悪いという欠点がある。

  • 加圧鋳込み

加圧した泥漿を流し込んで着肉速度を速め、生産性を高めた方法。

  • 回転鋳込み

遠心力を用いて着肉速度を速めた方法。高密度で、均質な成形体が得られるが、形状は回転体に限られる。

テープ成形

  • ドクターブレード法

原料と有機溶剤を混ぜて泥漿をつくり、ブレードと呼ばれる刃状部品で厚さを調整しながら、うすい板状に成形する方法。生産性がよく、多層構造体をもった成形体を作ることができるため、積層コンデンサーなどの電子部品を作成する際に使われる。工程の中で、板状に成形した泥漿に熱風を当てて有機溶媒を気化させ、乾燥させる。気化した有機溶媒は、有害であり、それを処理する設備が必要になるため、設備に高いコストがかかる。また、設備を運用する上で、作業員の健康や周辺環境の汚染に留意する必要がある。有機溶剤の代わりに、無害な溶剤を用いる研究もされているが、たとえば水を用いると、水は有機溶剤に比べて気化しにくく、乾燥させる工程で生産性が著しく落ちるなどの問題がある。(ドクターブレード法のドクターは、人名)

参考文献

脚注

  1. ^ 岡部敏弘、斎藤幸司、「ウッドセラミックス」『まてりあ』 Vol.36 (1997) No.1 P.30-34, doi:10.2320/materia.36.30
  2. ^ テレビ東京系列 開運!なんでも鑑定団 2017年8月1日放送
  3. ^ 阿部弘、「エンジニアリングセラミックス」日本舶用機関学会誌 Vol.20 (1985) No.1 P.3-7, doi:10.5988/jime1966.20.3

関連項目

外部リンク

クアーズテック

クアーズテック株式会社(CoorsTek, Inc.)は半導体用シリコンウェーハや、石英ガラス、耐火物等のメーカーである。

ケイ素

ケイ素(けいそ、珪素、硅素、英: silicon、羅: silicium)は、原子番号14の元素である。元素記号はSi。原子量は28.1。

「シリコン」とも呼ばれる。

ジルコニア

ジルコニア(二酸化ジルコニウム、化学式:ZrO2)は 、ジルコニウムの酸化物である。常態では白色の固体。融点が2700℃と高いため、耐熱性セラミックス材料として利用されている。また、透明でダイヤモンドに近い高い屈折率を有することから模造ダイヤとも呼ばれ、宝飾品としても用いられている。

天然にはバッデレイ石として産出する。

ジルコニウム

ジルコニウム(ラテン語: zirconium)は原子番号40の元素。元素記号は Zr。チタン族元素の1つ、遷移金属でもある。常温で安定な結晶構造は、六方最密充填構造 (HCP) のα型。862 ℃以上で体心立方構造 (BCC) のβ型へ転移する。比重は6.5、融点は1852 ℃。銀白色の金属で、常温で酸、アルカリに対して安定。耐食性があり、空気中では酸化被膜ができ内部が侵されにくくなる。高温では、酸素、窒素、水素、ハロゲンなどと反応して、多様な化合物を形成する。

タイル張り技能士

タイル張り技能士(タイルばりぎのうし)とは、国家資格である技能検定制度の一種で、都道府県知事(問題作成等は中央職業能力開発協会、試験の実施等は都道府県職業能力開発協会)が実施する、タイル張りに関する学科及び実技試験に合格した者をいう。

なお職業能力開発促進法により、タイル張り技能士資格を持っていないものがタイル張り技能士と称することは禁じられている。

古代ギリシアの陶芸

古代ギリシアの陶芸(こだいギリシアのとうげい)では、古代ギリシアにおける陶芸について解説する。

陶芸作品は比較的耐久性があるため、古代ギリシアの考古学的記録の重要な部分を占めている。また数が多く(Corpus Vasorum Antiquorum には約10万点が記録されている)、我々の古代ギリシア理解に不釣合いなほど大きな影響を及ぼしている。例えば古代ギリシア絵画は日用品である陶器の絵以外ほとんど現存していないため、この派生的な芸術形態からギリシア美術の発展を追跡する必要がある。また、紀元前1千年紀に廃棄されたり埋められたりした陶器の破片は、古代ギリシア人の普通の生活や精神を知る手がかりでもある。

名古屋工業大学

名古屋工業大学(なごや こうぎょうだいがく、英語: Nagoya Institute of Technology、公用語表記: 名古屋工業大学)は、愛知県名古屋市昭和区御器所町に本部を置く日本の国立大学である。1949年に設置された。大学の略称は名工(めいこう)、名工大(めいこうだい)。

固体

固体(こたい、(英: solid)は物質の状態の一つ。固体内の原子は互いに強く結合しており、規則的な幾何学的格子状に並ぶ場合(金属や通常の氷などの結晶)と、不規則に並ぶ場合(ガラスなどのアモルファス)がある。

液体や気体と比較して、変形あるいは体積変化が非常に小さい。変形が全く起こらない剛体は理想化された固体の一つである。連続体力学においては、固体は静止状態においてもせん断応力の発生する物体と捉えられる。液体のように容器の形に合わせて流動することがなく、気体のように拡散して容器全体を占めることもない。

固体を扱う物理学は固体物理学と呼ばれ、物性物理学の一分野である。また物質科学はそもそも、強度や相変化といった固体の性質を扱う学問であり、固体物理学と重なる部分が多い。さらに固体化学の領域もこれらの学問と重なるが、特に新しい物質の開発(化学合成)に重点が置かれている。

今まで知られている最も軽い固体はエアロゲルであり、そのうち最も軽いものでは密度は約 1.9 mg/cm3 と水の密度の530分の1程度である。

圧電効果

圧電効果(あつでんこうか 英: piezoelectric effect)とは、物質(特に水晶や特定のセラミックス)に圧力(力)を加えると、圧力に比例した分極(表面電荷)が現れる現象。また、逆に電界を印加すると物質が変形する現象は逆圧電効果と言う。なお、これらの現象をまとめて圧電効果と呼ぶ場合もある。これらの現象を示す物質は圧電体と呼ばれ、ライターやガスコンロの点火、ソナー、スピーカー等に圧電素子として幅広く用いられている。圧電体は誘電体の一種である。

アクチュエータに用いた場合、発生力は比較的大きいが、変位が小さくドリフトが大きい。また、駆動電圧も高い。STMやAFMのプローブまたは試料の制御などナノメートルオーダーの高精度な位置決めに用いられることが多い。

なお、piezoelectricity は圧電気のほかピエゾ電気とも訳され、ギリシャ語で「圧搾する」、または「押す(press)」を意味する piezein (πιέζειν) からハンケルにより名付けられた。

日本特殊陶業

日本特殊陶業株式会社(にっぽんとくしゅとうぎょう、英: NGK Spark Plug Co.,Ltd.)は、スパークプラグ、セラミックス製品を製造するメーカーである。森村グループの一員。1936年設立。本社は愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14-18にある。全世界で事業を展開し海外売上比率は8割を超える。

日本碍子

日本碍子株式会社(にほんがいし、英: NGK Insulators, Ltd.)は、愛知県名古屋市瑞穂区須田町2番56号に本社を置く企業。電力用がいし・セラミックス製造を主力とする。本社ビルは隣接する熱田区六野に所在。森村グループの一員。

通称表記は「日本ガイシ」。1986年(昭和61年)より使用している。

材料工学

材料工学(ざいりょうこうがく、英語:materials science and engineering)または材料科学(ざいりょうかがく、英語:materials science、マテリアルサイエンス)は、工学の一分野であり、物理学、化学等の知識を融合して新しい材料(素材)やデバイスの設計と開発、そして評価をおこなう学問である。

プロセス技術(結晶の成長、薄膜化、焼結、鋳造、圧延、溶接、イオン注入、ガラス形成など)、分析評価技術(電子顕微鏡、X線回折、熱量計測など)および産業上の材料生産での費用対利潤の評価などを扱う。

東京工業大学フロンティア材料研究所

東京工業大学フロンティア材料研究所(とうきょうこうぎょうだいがく フロンティアざいりょうけんきゅうじょ)は東京工業大学の附置研究所であり、多様な元素から構成される無機材料を中心とし、革新的な物性・機能を有する材料を創製することを目的とする研究所である。

2016年3月までの名称は「応用セラミックス研究所」であった。東京工業大学すずかけ台キャンパスに所在する。

2010年度より共同利用・共同研究拠点に指定されている。

窯業

窯業(ようぎょう)は、粘土、ケイ砂、石灰岩などの非金属原料を高熱処理して、陶磁器、瓦、ガラス、セメントなどのセラミックス(セラミック、窯業製品とも呼ぶ。)を製造する工業。窯(かま)を使用するため、窯業と呼ばれる。窯の燃料は、伝統的には薪炭、石炭であったが、近年では石油を使用するボイラーや電気窯が普及している。

古代では草葺、茅葺であった家屋の屋根がほとんどであったが、中世からは貴族、武士、僧侶の一部で、粘土瓦を使用した屋根が普及し始めた。磁器やクリスタルガラスの生産が可能になると、調度品として高く評価され、美術品としての価値を生むようにもなった。陶工、陶芸家という職業も社会的地位を確立した。美術品ないし工芸品としては、 七宝やガラスも同様である。ただし、現在の開発途上国の小規模な伝統的窯業にあっては、陶器などの調度品、食器とならんで、建築のための瓦の生産量が多い。

近年では、窯業系サイディング材と呼ばれる建築材料が普及しつつあり、工期の速さや優れた意匠性などの特長、大工・左官職人の不足や施工品質の安定性を求める市場環境から、戸建て住宅の外壁シェアの約7割を占めるまでに市場が拡大している。

複合材料

複合材料(ふくごうざいりょう、英: Composite material)は、2つ以上の異なる材料を一体的に組み合わせた材料のこと。強化のための強化材料とそれを支持するための母材(マトリクス)から構成されたものを指す。材料の複合化という概念としては合金やセラミックスなどを含む非常に広範な概念であるため、通常は繊維様のものを構造材として配列し形成するものを指し、合金やセラミックスとは区別して取り扱うことが多い。

単一素材からなる材料よりも優れた点をもち、各種の複合材料が製造・使用されている。複合材(ふくごうざい)、複合素材とも。

酸化アルミニウム

酸化アルミニウム(さんかアルミニウム、英語: Aluminium oxide)は、化学式がAl2O3で表されるアルミニウムの両性酸化物である。通称はアルミナ(α-アルミナ)、礬土(ばんど)。天然にはコランダム、ルビー、サファイアとして産出する。おもに金属アルミニウムの原料として使われるほか、硬度を生かして研磨剤、高融点を生かして耐火物としての用途もある。立方晶系のγ-アルミナは高比表面積を持つことから触媒として重要である。

酸化物

酸化物(さんかぶつ、英: oxide)は、酸素とそれより電気陰性度が小さい元素からなる化合物である。酸化物中の酸素原子の酸化数は−2である。酸素は、ほとんどすべての元素と酸化物を生成する。希ガスについては、ヘリウム (He)、ネオン (Ne) そしてアルゴン (Ar) の酸化物はいまだ知られていないが、キセノン (Xe) の酸化物(三酸化キセノン)は知られている。一部の金属の酸化物やケイ素の酸化物(ケイ酸塩)などはセラミックスとも呼ばれる。

陶芸

陶芸(とうげい、英: Pottery)とは、粘土を成形して高温で焼成することにより陶磁器などをつくる技術のこと。焼きものとも呼ばれる。生業として陶芸を行う者を陶工もしくは陶芸家と呼ぶ。

焼きものは施釉しない土器(および高温で焼成したせっ器)と、施釉した陶磁器(陶器と磁器)とに大別されるが、この区分には地域や文化によりばらつきがあり、欧米では施釉されたものもせっ器(ストーンウェア)に含み、また中国では土器と陶器を区別しない。

造形方法には、手びねり、型を用いて土の形を整える方法、轆轤(ろくろ)の上に置き手足や機械で回しながら両手で皿や壷などの形を作っていく方法などがある。焼き方には、窯を用いない「野焼き」や、七輪を用いる「七輪陶芸」などという手法もある。土の種類やこね方、釉、そして焼く温度など、様々な要素が作品に貢献する。したがって、世界中にいろいろな技法が存在する。

陶芸は人類の最も古いテクノロジーおよび芸術形式のうちの1つであり、今日もなお主要な産業であり続けている。考古学者たちのよる定義では、人形などの器ではないものや、轆轤によって作られたのではないものは、同様の過程で、恐らくは同じ人々によって作られたセラミックス製品であっても陶芸品に含めない傾向にある。

黒崎播磨

黒崎播磨株式会社(くろさきはりま、英名:KROSAKI HARIMA CORPORATION)は、福岡県北九州市八幡西区に本社を置く、耐火物やファインセラミックスの製造などを行う企業である。主力の耐火物事業は日本国内大手。東京証券取引所1部・福岡証券取引所上場。日本製鉄グループに属する。

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