先進セラミックス - 先進セラミックスの進化、分類、特性、製造、焼成、仕上げ、設計

背景

セラミックスと材料の世界、そして関連する材料技術は、新たな技術開発が知識バンクに新たなデータを供給するにつれて、急速に進化を続けています。新しい材料、そしてさらに新しい技術が開発されるにつれ、この急速な開発速度に対応するためには、取り扱い、成形、そして仕上げの方法を考案する必要があります。この急速かつ加速する技術開発の最も顕著な例の一つがエレクトロニクス産業、より具体的にはシンプルなトランジスタです。この開発と、関連する材料および加工技術の発展のスピードは驚異的です。その推進力は小型化にあり、最大限の性能を最小限のスペースに詰め込むことにあります。最近、ある電子メールで次のような発言がありました。「もし自動車産業がコンピュータ産業と同じペースで進歩していたら、1リットルで1000キロメートル走行でき、価格が25ドルの車を運転していただろう」。シンプルなトランジスタのコンセプトは、20世紀における最も重要な電子工学の成果の一つとして位置づけられています。

20世紀におけるセラミック技術の進歩

20世紀は、人類が概念的思考能力を獲得して以来、セラミックスと材料技術において最も大きな進歩をもたらしました。この時代における広範な冶金学的発展により、現在では考え得るほぼあらゆる金属合金の組み合わせが生み出され、それらの合金の性能は広く知られ、活用されています。より高速で、より効率的で、より低コストな生産技術への追求は、今日も続いています。金属ベースのシステムの限界が超えられるにつれ、技術進歩に対応するためには、より高温、より高速、より長寿命、より低いメンテナンスコストで動作可能な新材料が求められています。金属は、その独自の特性、すなわち延性、引張強度、豊富さ、単純な化学的性質、比較的低い生産コスト、成形性、接合性などにより、材料開発において最先端を走ってきました。一方、セラミックスは、本質的に脆く、より複雑な化学的性質を持ち、製造には高度な加工技術と設備を必要としますが、支持構造として使用できる金属やポリマーなどの他の材料と組み合わせることで、最高の性能を発揮します。この組み合わせにより、大型形状の製造が可能になります。スペースシャトルは先端材料の応用の典型的な例であり、先端材料の能力を示す優れた例です。

セラミック技術の最近の進歩

これらの材料の可能性が認識されるようになったのは、ここ 30 年ほどの間に、セラミック化学、結晶学の理解が進み、先進的で工学的なセラミックの製造に関する知識が広まったことによります。今世紀の大きな進歩の 1 つは、メルボルンの CSIRO の Ron Garvie らによる研究で、PSZ (部分安定化ジルコニア) とこのセラミックの相転移強化が開発されました。この進歩により、セラミック系の見方が変わりました。以前は金属に適用されていた技術が、セラミック系にも適用できると考えられるようになりました。相転移、合金化、焼入れ、焼戻しの技術が、さまざまなセラミック系に適用されました。セラミックの破壊靭性、延性、耐衝撃性が大幅に向上したことが認識され、セラミックと金属の物理的特性の差は縮まり始めました。最近では、非酸化物でより強靭なセラミック (窒化物セラミックなど) が開発され、この差はさらに縮まりました。

セラミックスの特性

今日の工学用途におけるセラミックスは、非伝統的なものと言えるでしょう。伝統的なセラミックスは、磁器、レンガ、陶器など、古くから広く知られている種類のセラミックスです。一方、新興のセラミックスは、先進的、新鋭的、あるいはファインセラミックスと呼ばれ、高度に精製された材料と新しい成形技術を用いています。これらの「新」あるいは「先進的」なセラミックスは、工学材料として使用された場合、金属ベースのシステムよりも優れていると考えられるいくつかの特性を備えています。これらの特性により、この新しいセラミックスは、性能面だけでなくコスト効率面でも非常に魅力的な位置を占めています。これらの特性には、高い耐摩耗性、優れた高温強度、化学的不活性、（工具として）高い加工速度、寸法安定性などがあります。

テクニカルセラミックスの分類

テクニカルセラミックスは、次の 3 つの異なる材料カテゴリに分類することもできます。

• 酸化物：アルミナ、ジルコニア

• 非酸化物：炭化物、ホウ化物、窒化物、ケイ化物

• 複合材料: 粒子強化、酸化物と非酸化物の組み合わせ。

これらのクラスはそれぞれ、独自の材料特性を開発できます。

酸化物セラミックス

耐酸化性、化学的に不活性、電気絶縁性、一般に熱伝導率が低い、アルミナの場合は製造がやや複雑でコストが低い、ジルコニアの場合は製造が複雑でコストが高い。

非酸化物セラミックス

耐酸化性が低く、硬度が非常に高く、化学的に不活性で、熱伝導性および導電性が高く、製造にエネルギー依存が難しく、コストが高い。

セラミックス系複合材料

靭性、低酸化性と高酸化性（タイプに関連）、さまざまな熱伝導性と電気伝導性、複雑な製造プロセス、高コスト。

生産

テクニカルセラミックまたはエンジニアリングセラミックの製造は、従来のセラミック製造と比較して、はるかに要求が厳しく複雑なプロセスです。これらの先端材料の望ましい特性が最終製品で確実に実現されるためには、高純度の材料と精密な製造方法を採用する必要があります。

酸化物セラミックス

高純度の出発原料（粉末）は、鉱物処理技術を用いて濃縮物（コンセントレート）を製造し、その後、さらに処理（通常は湿式化学）を施して不要な不純物を除去し、他の化合物を加えて所望の出発組成を作ります。これは、高性能酸化物セラミックスの製造において最も重要な段階です。これらは一般的に高純度のシステムであるため、微量の不純物が動的な影響を及ぼす可能性があります。例えば、少量のMgOはアルミナの焼結挙動に顕著な影響を及ぼす可能性があります。綿密に制御された結晶構造を形成するために、様々な熱処理手順が用いられます。これらの粉末は通常、セラミックの反応性を高めるために、極めて微細な、あるいは「究極の」結晶サイズになるまで粉砕されます。これらの粉末には、好ましい成形方法（プレス、押出、鋳込み成形など）に合わせて可塑剤とバインダーが混合され、「原料」が製造されます。高圧成形と低圧成形の両方の技術が用いられます。原材料は、必要な「グリーン」形状または前駆体に成形され（必要に応じて機械加工または旋盤加工され）、空気中またはわずかに還元的な雰囲気中で高温で焼成され、高密度の製品が生成されます。

非酸化物セラミックス

非酸化物セラミックスの製造は通常、3段階のプロセスで行われます。まず、前駆体または出発粉末を調製し、次にこれらの前駆体を混合して目的の化合物（Ti + 2B、Si + Cなど）を生成し、最後に最終成分を成形して焼結します。このグループの出発材料の成形と焼成では、加熱中に酸素が存在しないことを保証するために、炉または窯の状態を厳密に管理する必要があります。なぜなら、これらの材料は焼成中に容易に酸化してしまうからです。このグループの材料は、一般的に焼結に非常に高い温度を必要とします。酸化物セラミックスと同様に、最終的なセラミック特性を達成するには、純度と結晶特性を厳密に管理する必要があります。

セラミックス系複合材料

このグループは、酸化物セラミックスと非酸化物セラミックス（粒状、板状、ウィスカー状など）、酸化物セラミックスと酸化物セラミックス、非酸化物セラミックスと非酸化物セラミックス、セラミックスとポリマーなどの組み合わせで構成できます。ほぼ無限の組み合わせが可能です。目的は、特定の用途に適した強度または硬度を向上させることです。これは比較的新しい開発分野であり、粒子状またはマトリックス状の金属を含む組成物も存在します。

発砲

新しいツール用セラミックスの焼成条件は、温度範囲と装置の両方において多岐にわたります。このテーマはここで網羅するには長すぎます。興味のある方には、このテーマに関する幅広い出版物が入手可能です。しかし、先端セラミックスの焼成の基本技術を理解するために、いくつかの技術と条件について簡単に説明しておくことは適切です。一般的に、これらの材料は金属よりもはるかに高い温度、典型的には1500℃程度で焼成されます。°Cから2400°摂氏10度、あるいはそれ以上の高温に達することもあります。これらの高温に達するには、非常に特殊な炉と炉ライニングが必要です。材料によっては、窒素などの特殊なガス環境や、真空などの炉内環境の制御が必要になります。また、高密度化（HIP）を実現するために極めて高い圧力を必要とするものもあります。そのため、これらの炉は設計とコンセプトの両面で非常に多様です。これらの炉の一般的な加熱方法は、ガス加熱（ガス＋酸素、ガス＋加熱空気）、抵抗加熱（金属、カーボン、セラミックヒーター）、または誘導加熱（RF、マイクロ波）です。

焼成環境

ガス加熱は一般的に常圧から低圧で行われます。抵抗加熱は真空から200MPaまでの圧力で行われます。誘導加熱も抵抗加熱と同じ範囲で行うことができます。抵抗加熱と誘導加熱のどちらの場合も、システムは大量の発火生成物に対処する必要がないため、封じ込めが可能です。上記の方法で使用される一般的な炉の種類は、箱型炉、トンネル型炉、ベル型炉、HIP炉（ガス加熱と抵抗加熱）、密閉型（炭素元素加熱用の「オートクレーブ」密閉型）、密閉型特殊設計炉（RF加熱用の水冷型）、または開放型マイクロ波加熱（小型製品用）です。

焼成工程の重要性

この簡潔なリストは、先端セラミックスの焼成に用いられる技術がいかに多様であるかを示すものです。それぞれのセラミックの種類には、焼成速度、環境条件、温度に関して独自の要件があります。これらの条件が満たされなければ、最終製品の品質はおろか、最終的な化合物や密度の形成さえも達成できません。

仕上げ

先端材料の製造における最終段階の一つは、精密な公差への仕上げです。これらの材料は非常に硬く、ダイヤモンドに近い硬度を持つ場合があり、そのため仕上げは非常に高価で時間のかかるプロセスとなります。仕上げ技術には、レーザー、ウォータージェット、ダイヤモンドカッティング、ダイヤモンド研削、ドリリングなどがありますが、セラミックが導電性の場合は、EDM（放電加工）などの技術を使用できます。硬度の追求は主要な開発目標の一つであり、新しく開発される材料の硬度が増加するにつれて、仕上げに伴う問題も増加します。CNC研削装置の開発により、労働力を最小限に抑えることで最終研削のコストは削減されましたが、この装置のセットアップコストを相殺するには、通常、大量生産が必要となります。少量生産は通常、経済的に採算が取れません。この問題に対する一つの解決策は、「ネットフォーム」、つまり予測可能または許容可能な公差に成形することで、機械加工を最小限に抑えることです。Taylor Ceramic Engineeringでは、「ニア・トゥ・ネットシェイプ成形」と呼ばれる技術の導入により、これを実現しました。このオーストラリア独自の開発により、複雑な部品を ±0.3% という低い偏差で成形できるため、最終的な加工コストを大幅に削減できます。

今日の多くの用途において、ある材料の有益な特性を組み合わせることで、他の材料の性能を向上させ、時にはその特性を補助し、ハイブリッド複合材が生まれます。ハイブリッド複合材の場合、それぞれの新材料の可用性と性能特性が、その新材料の性能を決定づけます。場合によっては、実際に使用を開始する前に、新複合材の長期耐久性を確認するために、現場での評価試験を実施する必要があります。

デザイン

構造、部品、デバイスの設計においては、先端材料の特性を考慮する必要があります。最終的な設計と材料の選択は、費用対効果が高く、確実に機能する必要があり、理想的には既存技術の改良となるべきです。過去の性能に関する知識は明らかに資産となりますが、多くの新しい用途では過去の知識が得られない場合があり、実験モデルやプラント試験における性能特性を注意深く観察し記録する必要があります。この点において、材料エンジニアは研究チームと緊密に連携し、新しいコンセプトを共同で開発します。私たちは依然として比較的脆い材料を扱っているため、この点を常に念頭に置く必要があります。有限要素解析などの新しい手法は、この点で有益であることが証明されています。コンピューターモデリングを使用することで、高価なプロトタイプを必要とせずに画面上で構造を作成できます。

次はどこへ？

先端セラミック材料は、現在、日常生活の多くの分野で確固たる地位を築いています。性能、耐用年数、運用コスト、メンテナンスコストの削減といった点での向上は、先端セラミック材料のメリットを明確に証明しています。寿命は数ヶ月ではなく数年にまで延長され、コスト面でも既存の部品コストのわずか2倍程度と、先端セラミック材料には大きなメリットがあります。これらの先端材料の製造は、高額な設備費と高度な専門知識と訓練を受けた人材を必要とする、複雑で要求の厳しいプロセスです。未来のセラミック材料は、多結晶相の組み合わせと複合セラミック構造、すなわち、最終化合物において有益な特性を持つ異なる結晶構造の共沈または包含という特性を活用するでしょう。

明日（今日でさえも）の課題は、最終的なセラミック化合物に最大限の結合エネルギーを詰め込み、それらの結合に高度な延性または弾性を付与することです。このエネルギーレベルを超えると、破壊や転位が発生します。技術と材料の進歩は、機能するように精密に設計された新しい化合物が開発されることも意味します。これがどのように達成され、その知識がいつ公開されるのか、誰にも分かりません。セラミックスは古い種類の材料ですが、依然として新しい材料開発の機会を秘めています。

これは魅力的な探求ですが、この秘密の側面と、多くの陶磁器生産産業における「黒魔術」の継続的な存在が、この探求をさらに魅力的なものにしています。

注: 完全な参考文献リストは原文を参照することで参照できます。

主著者: DAテイラー
出典: Materials Australia、Vol. 33、No. 1、pp. 20-22、2001年1月/2月。

この情報源の詳細については、 オーストラリア材料工学研究所.