セラミック材料にはどのような欠点と利点がありますか?

Table Of Content

• セラミック素材にはどのような欠点と利点がありますか？
  • はじめに
  • 1. 定義
  • 2. 特性
  • 3. 利点と欠点

セラミック素材にはどのような欠点と利点がありますか？

はじめに

おそらく、皆さんは「セラミック」という言葉を一度は耳にしたことがあるでしょう。例えば、学校で歴史の先生がプレ・インカ文化で作られた陶器の形状について説明してくれた時や、花瓶を思い浮かべた時などです。その時に、セラミックは壊れやすいものだとしか思っていなかったかもしれません。しかし、「セラミック」という用語ははるかに複雑で、タイル、ガラス、耐火物など、他の種類の材料も含みます。本稿では、様々な活動で利用・活用され、日常生活にも役立つセラミック材料の特定の側面について、その化学的背景を説明します。

1. 定義

セラミック材料は、金属元素と非金属元素が主にイオン結合および／または共​​有結合によって結合した無機固体であり、その一部は高温にさらされることで硬く、不燃性で酸化されない構造に変化します。セラミック材料は、結晶性、非結晶性、またはガラスセラミック（上記の両方の組み合わせ）のいずれかです。

2. 特性

機械的特性：室温では、構成原子間の結合の種類（イオン結合／共有結合）により、硬くて脆い性質を示します。また、高温では粒界が滑りやすいため、変形しやすい性質を示します。

磁気的特性：一般に、セラミック材料はこれらの特性を持ちません。ただし、フェライトとガーネット（強磁性セラミックとも呼ばれる）は例外です。

電気的特性：セラミック材料の大部分は、高い誘電強度と低い誘電率を持つため、電気絶縁体です。その他のセラミック材料は、分極しやすいなどの誘電特性を持ちます。

熱的特性：ほとんどすべてのセラミック材料は、強い結合（イオン結合／共有結合）により、熱伝導率が低くなります。これらの材料では、共価帯と伝導帯のエネルギー差が大きすぎるため、電子は伝導帯に向かって励起されやすく、そのため優れた断熱材となります。

3. 利点と欠点

前述のように、セラミック材料は原子間に強力なイオン結合または共有結合を有しており、高い硬度を持つだけでなく、優れた熱・電気絶縁体でもあります。これは、強力な結合によって電子の自由な移動が困難になり、電気伝導性と熱伝導性が制限されるためです。このため、結合を切断するには高い熱供給が必要となるため、セラミック材料の融点は高くなります。

一方、セラミック材料は化学的に安定しているため、酸化プロセスで発生するような腐食性物質に対して耐性があります。さらに、ほとんどのセラミックは金属元素と非金属元素で構成されているため、腐食を受けた材料とみなすことができ、腐食性成分に対する耐性があります。

しかし、このタイプの材料には、脆性、つまり原子を移動させると結合が破壊されるため、容易に壊れやすいという欠点があります。その結果、容易に塑性変形できず（延性が低い）、引張荷重に耐える能力が制限されます（靭性が低い）。

まとめると、主な利点と欠点は以下の表のようになります。