先進セラミックス – 先進セラミックスの進化、分類、特性、生産、焼成、仕上げおよび設計

背景

陶器および素材の世界と関連する素材技術の継続的進化は、各新しい技術開発により知識バンクにさらにデータを供給する形で急速に加速しています。新しい素材やさらに新しい技術が開発されるにつれ、取り扱い、成形、仕上げのための方法が開発されなければならないほど、この急速な開発のトレンドに適応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は、電子産業、特にシンプルなトランジスターです。この開発のスピードと関連する素材および処理技術の開発は非常に驚くべきものでした。推進力は小型化と最小の空間に最大の性能を収めることにありました。最近のメール引用では、「自動車産業がコンピュータ産業と同様の速度で進歩していたら、1リットル当たり1000キロメートル走れる、価格25ドルの車が走っていたでしょう」と述べられていました。シンプルなトランジスターは、20世紀で最も重要な電子工学の成果の一つとして位置付けられます。

20世紀におけるセラミック技術の進歩

20世紀は、人類が概念的思考が可能になった以来、セラミックスおよび素材技術において最も大きな進歩をもたらしました。この期間の広範な冶金学的改良により、ほぼどの金属合金の組み合わせも作られ、その合金の能力はかなりよく理解され、活用されています。より速く、より効率的で、コストを削減するための生産技術の追求は今日も継続しています。金属ベースのシステムの限界を超えた場合、より高い温度、より高速、より長い寿命、より低い保守コストで動作できる新しい素材が求められます。

金属は、延性、引張強度、豊富さ、単純な化学、比較的低い生産コスト、成形の容易さ、接合の容易さなどの独自の特性により、素材開発において先頭を切っています。これに対し、セラミックスはその性質上脆く、より複雑な化学を特徴とし、高度な処理技術および機器を必要とするため、金属やポリマーなど他の素材と組み合わせて使用する際、最も優れた性能を発揮します。これらの素材は、支える構造としての金属やポリマーを併用して大きな形状を作り出すことができ、スペースシャトルは、先進素材の応用の典型的な例であり、先進素材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

実際、最近30年程度、セラミック化学、結晶学の理解の進歩と、先進的および工程設計セラミックの生産に関するより広範な知識の蓄積により、これらの素材の潜在能力が実現されました。この世紀における主要な開発の一つは、メルボルンのCSIROでRon Garvieらが部分安定化ジルコニア(PSZ)およびこのセラミックの相変態強靭化法を開発したことでした。この進歩により、セラミックシステムの見方そのものが変わりました。従来金属に適用されていた技術が、現在セラミックシステムにも適用可能であると認識されるようになりました。相変態、合金化、急速冷却および焼入れ技術が、さまざまなセラミックシステムに適用されました。セラミックの破裂靭性、柔らかさ、衝撃耐性が大幅に向上し、金属とセラミックの物理特性のギャップが閉じ始めました。最近の窒化物セラミックなど非酸化物およびより強靭なセラミックの開発により、このギャップはさらに縮小しています。

セラミックの特性

今日のエンジニアリング用途に用いられるセラミックは、伝統的なセラミックとは見なされます。伝統的なセラミックとは、ポーセリン、レンガ、素焼きなど一般的に知られた古いタイプを指します。新しく登場するセラミックの家族は、先進的、新規、あるいは精密セラミックと呼ばれるもので、高度に精製された素材と新しい成形技術を利用しています。これらの「新規」または「先進的」セラミックがエンジニアリング素材として使用されると、金属ベースのシステムよりも優れた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のグループは、性能だけでなく経済的効率性においても非常に魅力的な位置を占めています。主な特性には、摩耗抵抗性の高さ、優れた高温強度、化学的不活性、高 machining スピード（ツールとして）、寸法安定性が含まれます。

技術セラミックの分類

技術セラミックは、三つの異なる素材カテゴリーに分類できます。

• 酸化物：アルミナ、ジルコニア

• 非酸化物：炭化物、ボライド、窒化物、シリサイド

• 複合材：粒子強化、酸化物と非酸化物の組み合わせ。

これらの各カテゴリは、独自の素材特性を開発できます。

酸化物セラミック

酸化耐性、化学的不活性、電気絶縁性、一般に低熱伝導性、アルミナは少し複雑な製造プロセスと低コスト、ジルコニアはより複雑な製造プロセスと高いコストを特徴とします。

非酸化物セラミック

酸化耐性が低く、極めて硬く、化学的不活性、高熱伝導性および電気伝導性を持ち、エネルギー依存型の製造および高コストです。

セラミック複合材

靭性、酸化耐性（低～高：素材によって異なり）、熱および電気伝導性の変化が可能、複雑な製造プロセス、高コストです。

生産

従来の陶器生産と比較して、技術的またはエンジニアリングセラミックの生産ははるかに要求が高く複雑なプロセスです。これらの高性能セラミックの最終製品で望ましい特性を達成するためには、高純度の素材および正確な生産方法を採用する必要があります。

酸化物セラミック

高純度の原料（粉体）は、鉱石処理技術を用いて濃縮物を生成した後、さらに湿式化学プロセスを使用して不要な不純物を除去し、必要に応じて他の化合物を追加して望ましい原料組成を作ります。これは高性能酸化物セラミックを準備する上で最も重要なステージです。高純度システムであるためわずかな不純物が大きな影響を与える可能性があります。例えば、MgOの少量がアルミナの焼結挙動に顕著な影響を及ぼします。適切な結晶構造を作り出すために、さまざまな熱処理プロシージャーが利用されます。これらの粉体は、セラミック反応性を向上させるために、極めて小さく「究極」の結晶サイズに粉砕されます。これらの粉体にプラスチシスおよびバインダーをブレンドして、希望する成形方法（押出、プレス、スリップキャスティングなど）に適合させ、「生」素材を作り出します。高圧および低圧成形技術の両方が使用されます。生素材は望ましい「グリーン」形状または前駆体（必要な場合、機械加工または旋削して形状を整える）に成形され、空気またはやや還元的大気にて高温で焼成して、致密な製品を作り出します。

非酸化物セラミック

非酸化物セラミックの製造は、一般的に3段階プロセスで行われます。第一に、前駆体または原料粉体の準備、第二に、これらの前駆体の混合により目的の化合物（Ti + 2B、Si + Cなど）を生成、第三に、最終部品の成形および焼結です。特に非酸化物セラミックでは、焼成時に酸素が存在しない環境を確保するために、炉またはキルン条件を厳密に制御する必要があります。これらの素材は焼成時に酸化しやすい性質があるためです。このグループの素材は、焼結させるためには極めて高温が必要です。酸化物セラミックと同様に、目的の最終セラミック特性を達成するためには、正確な純度および結晶特性の制御が必要です。

セラミック複合材

このグループは、酸化物セラミック―非酸化物セラミック（粒状、平板、ワイスカーなど）、酸化物―酸化物セラミック、非酸化物―非酸化物セラミック、セラミック―ポリマーなど、ほぼ無限の組み合わせが可能です。目的は、特定の用途により適合するように、靭性または硬度を改善することです。これはやや新しい開発分野であり、金属を粒子またはマトリックス形態で含む組成もあります。

焼成

新しい工具セラミックの焼成条件は、温度レンジおよび設備において多様です。この主題はここでは説明できるほど短くはありません。興味のある方は、この件に関する多くの出版物を利用できます。ただし、先進セラミックの焼成の基本技術を理解するために、いくつかの技術および条件について簡潔に説明することが適切です。一般的にこれらの素材は金属よりも遥かに高い温度（1500°C～2400°C、さらにはそれ以上）で焼成されます。このような温度を達成するには、非常に専門的な炉および炉内装材が必要です。一部の素材は窒素などの特殊なガス環境を必要とし、他には真空などの制御された炉条件が必要かもしれません。また、致密化を達成するためには高圧（HIP）が必要な場合もあります。したがってこれらの炉は、設計および概念において非常に多様です。これらの炉で使用される典型的な加熱方法には、ガス（酸素を含むガス、加熱空気を含むガス）、抵抗加熱（金属、炭素およびセラミックヒーター）、誘導加熱（R.F., マイクロ波）があります。

焼成環境

ガス加熱は通常、低圧から大気圧で行われます。抵抗加熱は、真空から200 MPaの圧力範囲で行われます。誘導加熱は抵抗加熱と同様の範囲で実施可能です。抵抗および誘導加熱の両システムは、高い点火製品量を含まないため、容器に収めることができます。上記の方法で使用される典型的な炉型は、ボックス型、トンネル型、ベル型、HIP（ガスおよび抵抗加熱型）、シールド型（炭素要素加熱用の「オートクレーブ」型）、シールド特殊設計（R.F.加熱用の冷却水型）、またはオープンデザインのマイクロ波加熱型（小部品）です。

焼成プロセスの重要性

この簡潔な一覧は、先進セラミックを焼成するために使用される技術の多様性を示しています。各セラミックタイプには、焼成速度、環境条件、温度に対する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、最終製品の品質や最終化合物および密度の形成は達成されません。

仕上げ

先進素材の生産における最終ステージの一つは、正確な公差へ仕上げることです。これらの素材は非常に硬く、ダイヤモンドに近い硬度を持つことがあり、仕上げは費用がかかり、時間がかかるプロセスです。仕上げ技術には、レーザー、水ジェット、ダイヤモンド切断（カット）、ダイヤモンド研磨およびドリル、電気伝導性を持つ場合はEDM（電気放電加工）が使用されます。硬度を追求することは開発の主要目標の一つであり、各々の新たに開発された素材の硬度が増加するにつれ、仕上げに関連する問題も増加します。CNC研削装置の開発により、最終研削コストが低下して、労働力コストを最小限に抑えることができるようになりました。ただし、この装置の設定費用を相殺するためには、大規模な生産が必要です。小規模な量は通常経済的に実現可能ではありません。この問題への代替案として、「ネットフォーム」とか「予測可能または許容できる公差に成形」する技術を用いて、機械加工を最小限に抑えることが可能です。これは、テイラー・セラミックエンジニアリングによって、独自の発明である「ニア・トゥ・ネット・シェイプ成形」技術を導入することにより実現されました。複雑な部品は、この特許取得されたオーストラリア開発により、±0.3％の偏差で成形可能で、最終加工コストを大幅に削減できます。

今日の多くの用途では、一部の素材の有益な特性を組み合わせて、他の素材を強化またはサポートするハイブリッド複合体を構築しています。ハイブリッド複合体の場合、新素材の可用性および性能特性が、新しい素材の能力を決定します。ある場合には、サービスに移行する前に、新複合体の長期耐久性を確認するために現場評価試験が必要です。

設計

先進素材の特性は、構造、コンポーネントおよびデバイスを設計する際に考慮する必要があります。最終的な設計および素材選定は、コスト効率性を確保し、信頼性の高い機能を実現し、理想としては既存技術を改善するものでなければなりません。過去の性能知識は明らかに有利ですが、多くの新しい用途では過去の知識が入手できないため、実験モデルまたは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、新しいコンセプトの共同開発を行います。まだ比較的脆い素材を使用しているため、この点は常に考慮に入れる必要があります。有限要素解析のような新しい技術はこの点で有益であることが実証されています。コンピュータモデリングを使用することで、高価なプロトタイプを作成する必要がなくなります。

次に何を

先進セラミック素材は、すでに日常生活の多くの分野で十分に確立されています。性能向上、サービスライフ、運用コストの節約、保守コストの削減は、先進セラミック素材の恩恵を明らかに示しています。寿命はもはや数ヶ月ではなく年単位となり、コスト経済性は既存コンポーネントの費用のわずか2倍で実現可能なため、先進セラミック素材は大きな優位性を備えています。これらの高度な素材の製造は、高設備コストおよび高度に専門性を要した技術者を必要とする複雑で高要求のプロセスです。明日のセラミック素材は、多結晶相組み合わせおよび複合セラミック構造の特性を活用し、すなわち異なる結晶構造の共沈または組み込みが、最終化合物内で有益な性能を発揮することを目的としています。

明日（すでに今日）の探求は、最終セラミック化合物に最も多くの結合エネルギーを詰め込むこと、および結合に高い延性または弾性を付与することです。破壊または歪みを引き起こすには、このエネルギーレベルを超える必要があります。技術および素材の進化スピードにより、より正確に設計された機能を示す新しい化合物が開発されるはずです。その実現方法や知識が公開される時期は誰にも分かりません！セラミックは古くからの素材分類ですが、新たな素材開発の機会を常に残しています。

それは魅力的な探求ですが、この秘密保持および多くのセラミック生産業界での「ブラックアート」の姿勢が、さらに魅力を添えています。

注：参考文献一覧は原文を参照ください。

原著者：D.A. Taylor
出典：Materials Australia, Vol. 33, No. 1, pp. 20-22 January/February 2001。

この出典についての詳細は、The Institute of Materials Engineering Australasiaをご覧ください。