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セラミック工学とは、無機非金属材料から物体を作製する科学である。これは、高純度化学溶液に低温で加熱反応または沈殿反応を起こさせることによって行われる。この用語には、原材料の精製、化合物の研究と製造、それらの構成要素への形成、そしてそれらの構造、組成、特性の研究が含まれる。
セラミック材料は、原子スケールで長距離秩序を持つ結晶構造または部分結晶構造を有する。ガラスセラミックは、非晶質またはガラス質の構造を有する。これらは、溶融した物質が冷却によって凝固することによって形成される場合もあれば、水熱合成などの方法を用いて低温で化学合成される場合もある 。
セラミック材料は、材料工学、電気工学、化学工学、機械工学の分野で使用されています。セラミックは耐熱性があるため、金属やポリマーなどの材料が適さない用途に使用できます。[ 1 ]
セラミック工学は、多くの科学分野と同様に、別の分野から発展してきた。材料科学と工学は、セラミック工学の起源として一般的に考えられている。[ 2 ]
アブラハム・ダービーは1709年にイングランドのシュロップシャーで製錬プロセスの収率を向上させるために初めてコークスを使用しました。 [ 3 ]コークスは現在、炭化物セラミックスの製造に広く使用されています。陶芸家のジョサイア・ウェッジウッドは1759年にイングランドのストーク・オン・トレントに最初の近代的なセラミック工場を開設しました。ロシアの繊維産業で働いていたオーストリアの化学者カール・ヨーゼフ・バイヤーは1888年にボーキサイト鉱石からアルミナを分離するプロセスを開発しました。バイヤー法は現在もセラミックおよびアルミニウム産業のアルミナの精製に使用されています。[ 4 ]ピエールとジャックのキュリー兄弟は1880年頃にロッシェル塩で圧電性を発見しました。圧電性は電気セラミックスの重要な特性の1つです。
1893年、E.G. アチソンはコークスと粘土の混合物を加熱し、炭化ケイ素、すなわち合成炭化ケイ素を発明した。アンリ・モアッサンも、アチソンとほぼ同時期にパリの電気アーク炉で炭化ケイ素と炭化タングステンを合成した。 1923年、カール・シュレーターは液相焼結法を用いて、モアッサンの炭化タングステン粒子をコバルトで結合または「セメント化」した。セメント化（金属結合）された炭化物エッジは、硬化鋼切削工具の耐久性を大幅に向上させる。1920年代、 W.H. ネルンストはベルリンで立方晶安定化ジルコニアを開発した。この材料は排気システムの酸素センサーとして使用されている。工学におけるセラミックスの使用の主な制限は脆性である。[ 1 ]
第二次世界大戦の軍事的要求はイノベーションを促し、高性能材料の必要性を生み出し、セラミック科学と工学の発展を加速させた。1960年代から1970年代にかけて、原子力、エレクトロニクス、通信、宇宙旅行の進歩に対応して、新しいタイプのセラミックが開発された。1986年のセラミック超伝導体の発見は、電子機器、電気モーター、輸送機器用の超伝導セラミック部品の開発研究を刺激した。[ 5 ] [ 6 ]
軍事分野では、可視光（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）領域の光を透過できる高強度で堅牢な材料に対する需要が高まっている。これらの材料は、透明装甲を必要とする用途に必要である。透明装甲とは、光学的に透明でありながら、破片や弾道衝撃から保護するように設計された材料または材料システムである。透明装甲システムの主な要件は、指定された脅威を撃退するだけでなく、周囲の領域の歪みを最小限に抑えながら複数回の被弾に対応できることである。透明装甲の窓は、暗視装置にも対応していなければならない。より薄く、軽量で、より優れた弾道性能を提供する新しい材料が求められている。[ 7 ]
このような固体部品は、導波光伝送用の光ファイバー、光スイッチ、レーザー増幅器およびレンズ、固体レーザーのホストおよびガスレーザー用の光学窓材料、ミサイル誘導システムおよび赤外線暗視用の赤外線（IR）熱探知装置など、電気光学分野で広く使用されています。[ 8 ]
現在、セラミック工学の応用例としては、以下のようなものがある。
ガラスセラミック材料は、ガラスとセラミックの両方と多くの特性を共有しています。ガラスセラミックは、非晶質相と1つ以上の結晶相を持ち、ガラス製造では通常避けられるいわゆる「制御結晶化」によって製造されます。ガラスセラミックは、体積比で組成の30%から90%を占める結晶相を含むことが多く、これにより、特異な熱機械的特性を持つさまざまな材料が得られます。[ 15 ]
ガラスセラミックスの製造工程では、溶融ガラスを徐々に冷却してから再加熱およびアニーリングを行います。この熱処理により、ガラスは部分的に結晶化します。多くの場合、結晶化プロセスを調整および制御するために、いわゆる「核生成剤」が添加されます。通常、プレスおよび焼結が行われないため、ガラスセラミックスには、焼結セラミックスに典型的に見られる体積率の気孔は含まれません。[ 1 ]
この用語は主にリチウムとアルミノケイ酸塩の混合物を指します。これらのうち商業的に最も重要なものは、熱衝撃に耐性があるという特徴があります。そのため、ガラスセラミックスは調理台での使用に役立っています。結晶セラミック相の負の熱膨張係数（TEC）は、ガラス相の正のTECとバランスが取れています。ある時点（結晶質が約70%）で、ガラスセラミックスの正味のTECはほぼゼロになります。このタイプのガラスセラミックスは優れ た機械的特性を示し、1000 ℃までの繰り返しの急激な温度変化に耐えることができます。 [ 1 ] [ 15 ]
伝統的な陶磁器製造工程は、一般的に次の順序で行われます。粉砕 → 配合 → 混合 → 成形 → 乾燥 → 焼成 → 組み立て。[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]
セラミック成形技術には、投げ成形、スリップキャスティング、テープキャスティング、凍結鋳造、射出成形、乾式プレス、等方圧プレス、熱間等方圧プレス（HIP）、3D プリンティングなどがあります。セラミック粉末を複雑な形状に成形する方法は、多くの技術分野で求められています。このような方法は、熱機関部品やタービンなどの高度な高温構造部品の製造に必要です。これらのプロセスで使用されるセラミック以外の材料には、木材、金属、水、石膏、エポキシなどがありますが、そのほとんどは焼成時に除去されます。[ 16 ]ロケット排気衝突条件下で構造用鋼を保護するために、Martyte などのセラミック充填エポキシが使用されることがあります。[ 22 ]
これらの成形技術により、寸法安定性、表面品質、高い（理論値に近い）密度、微細構造の均一性を備えた工具やその他の部品が得られます。特殊セラミックスの形状の使用と多様化が進むにつれて、使用できるプロセス技術の多様性も増しています。[ 16 ]
したがって、強化繊維やフィラメントは主にポリマー、ゾルゲル、CVDプロセスによって製造されますが、溶融加工も適用可能です。最も広く使用されている特殊な形態は積層構造であり、電子基板やパッケージ用のテープキャスティングが特に普及しています。フォトリソグラフィーは、このようなパッケージ用の導体やその他のコンポーネントの精密なパターニングにますます関心を集めています。テープキャスティングや成形プロセスは、燃料電池などの開放構造からセラミック複合材料まで、他の用途にもますます関心を集めています。[ 16 ]
もう1つの主要な層構造はコーティングであり、熱溶射が重要だが、化学蒸着法、物理蒸着法、化学法（ゾルゲル法やポリマー熱分解法など）も使用が増加している。成形テープによる開放構造のほか、ハニカム触媒担体などの押出成形構造、網状フォームなどの様々なフォームを含む高多孔性構造の使用が増加している。[ 16 ]
粉末体の緻密化は、主に（無加圧）焼結によって行われています。しかし、特に非酸化物や単純な形状の部品など、より高い品質（主に微細構造の均一性）が求められる場合、また、より大きなサイズや、1回のプレスで複数の部品を成形できるという利点がある場合には、ホットプレスによる加圧焼結の使用が増加しています。[ 16 ]
焼結法の原理は単純です（「焼結」は英語の「燃え殻」に由来します）。焼成はセラミックの融点以下の温度で行われます。「グリーンボディ」と呼ばれる、おおまかに成形された物体ができたら、それを窯で焼成します。窯の中では、原子や分子の拡散プロセスによって、主要な微細構造に大きな変化が生じます。これには、気孔の段階的な消失が含まれ、通常は部品の収縮と全体的な緻密化を伴います。その結果、物体内の気孔が閉じ、より緻密で強度と破壊靭性が著しく向上した製品が得られます。
焼成または焼結プロセス中に本体に生じるもう一つの大きな変化は、固体の多結晶構造の確立です。焼結中は顕著な結晶粒成長が起こりやすく、この成長は焼結プロセスの温度と時間に依存します。結晶粒の成長は、何らかの結晶粒サイズ分布をもたらし、それが材料の最終的な物理的特性に大きな影響を与えます。特に、微細な結晶粒のマトリックス中で特定の結晶粒が非常に大きくなる異常結晶粒成長は、得られるセラミックスの物理的および機械的特性を大きく変化させます。焼結体における結晶粒サイズは、熱処理パラメータと初期粒子サイズ、あるいは処理の初期段階で生じる凝集体や粒子クラスターのサイズによって決まります。
最終製品の微細構造（ひいては物理的特性）は、化学合成および物理的成形の初期段階で作成される構造テンプレートまたは前駆体の形状によって制限され、その影響を受ける。したがって、工業用セラミックス、ガラス、およびガラスセラミックスの合成において、化学粉末およびポリマー加工は重要な役割を果たす。
焼結プロセスには数多くの改良方法が存在する。最も一般的な方法としては、成形体をプレスすることで緻密化を促進し、必要な焼結時間を短縮する方法がある。成形体を結合させるために、ポリビニルアルコールなどの有機バインダーを添加することもある。これらのバインダーは、200 ℃～350 ℃の焼成中に燃焼する。また、プレス時に有機潤滑剤を添加して緻密化を促進することもある。これらの方法を組み合わせることも一般的で、粉末にバインダーと潤滑剤を添加してからプレスする。（これらの有機化学添加剤の配合はそれ自体が科学であり、特に電子機器、コンデンサ、インダクタ、センサーなどに何十億個も使用される高性能セラミックスの製造において重要である。）
粉末の代わりにスラリーを使用し、それを目的の形状に流し込み、乾燥させてから焼結することができます。実際、伝統的な陶器は、手で成形した可塑性のある混合物を使用して、このタイプの方法で作られています。セラミックに異なる材料の混合物を使用する場合、焼結温度が、微量成分の融点を超えることがあります。これは液相焼結です。これにより、固相焼結と比較して焼結時間が短くなります。[ 23 ]このような液相焼結は、より速い拡散プロセスを伴い、異常な結晶粒成長を引き起こす可能性があります。
材料の強度は、その微細構造に依存し、微細構造は加工プロセスによって変化させることができます。材料の強度を変化させる様々な強化機構には、粒界強化機構が含まれます。したがって、降伏強度は粒径が小さくなるにつれて最大化されますが、最終的には、粒径が非常に小さいと材料は脆くなります。降伏強度は材料の塑性変形を予測するパラメータであるという事実と併せて考えると、材料の微細構造特性と望ましい最終効果に応じて、材料の強度を高める方法について十分な情報に基づいた意思決定を行うことができます。
降伏応力と粒径の関係は、ホール・ペッチ方程式によって数学的に記述される。
ここで、k yは強化係数（各材料に固有の定数）、σ oは転位移動の開始応力（または転位移動に対する格子の抵抗）の材料定数、dは結晶粒径、σ yは降伏応力です。
理論的には、結晶粒を無限に小さくすれば、材料は無限に強くすることができる。しかし、残念ながら、結晶粒サイズの最小値は材料の単一単位セルであるため、これは不可能である。さらに、材料の結晶粒が単一単位セルのサイズであれば、長距離秩序がないため、材料は結晶質ではなく非晶質であり、非晶質材料では転位を定義することはできない。実験的に、降伏強度が最も高い微細構造は、結晶粒サイズが約 10 ナノメートルであることが観察されている。これは、これより小さい結晶粒では、粒界すべりと呼ばれる別の降伏メカニズムが発生するためである。[ 24 ]ナノ材料およびナノテクノロジーに固有の初期粒子サイズの制限のため、この理想的な結晶粒サイズを持つエンジニアリング材料を製造することは困難である。
キャサリン・フェイバーとアンソニー・G・エバンスによって開発されたフェイバー・エバンスモデルは、マトリックス内で微小亀裂が発生しやすい第二相粒子の周囲で亀裂が偏向することによってセラミックスの破壊靭性が向上することを予測できる。[ 25 ]このモデルは、第二相の粒子形態、アスペクト比、間隔、体積分率、および亀裂が偏向したり亀裂面が湾曲したりしたときの亀裂先端での局所応力強度の減少を考慮している。実際の亀裂の曲がりくねり度は画像技術によって取得され、これにより偏向角と湾曲角をモデルに直接入力することができる。
このモデルは平均ひずみエネルギー解放率を計算し、その結果生じる破壊靭性の増加を、平坦なマトリックスを貫通する平坦な亀裂の場合と比較します。強化の大きさは、熱収縮不適合によって引き起こされるミスマッチひずみと、粒子/マトリックス界面の微小破壊抵抗によって決定されます。強化は、適切なサイズの粒子の狭いサイズ分布で顕著になり、研究者は通常、ほぼ等軸粒を持つ材料のたわみ効果により、破壊靭性が粒界値の約2倍になる可能性があることを認めています。[ 26 ]
このモデルは、靭性の増加が粒子の形状と第二相の体積分率に依存し、最も効果的な形態は高アスペクト比の棒状であり、これにより破壊靭性が4倍に増加することが明らかになった。たわみプロファイルが示すように、靭性の向上は主に粒子間の亀裂先端のねじれから生じる。円盤状粒子と球状粒子は靭性の向上に効果が低い。破壊靭性は、形態に関係なく、亀裂先端の初期傾斜ではなく、最も深刻な構成での亀裂先端のねじれによって決定される。円盤状粒子の場合のみ、亀裂先端の初期傾斜が顕著な靭性向上をもたらすが、ねじれ成分は依然として傾斜由来の靭性向上を上回る。[ 27 ]
たわみ解析のその他の重要な特徴としては、体積分率が0.2を超えると、3つの形態すべてにおいて漸近的な靭性向上が見られることが挙げられる。また、球状粒子による靭性向上には、粒子間隔分布が大きく影響することも注目される。球状粒子がほぼ接触し、ねじれ角が90度に近づくほど、靭性が向上する。これらの予測は、高靭性二相セラミック材料の設計の基礎となる。
理想的な第二相は、化学的適合性を維持することに加えて、10～20体積パーセントの量で存在する必要があります。それ以上の量では、粒子が重なり合うため、靭性の向上が低下する可能性があります。アスペクト比の高い粒子、特に棒状の形態を持つ粒子は、最大の靭性向上に最も適しています。このモデルは、セラミックスの破壊靭性の向上に寄与する要因を決定するためによく使用され、最終的には性能が向上した先進的なセラミック材料の開発に役立ちます。[ 28 ] [ 29 ]
ファインセラミックスの加工では、一般的な粉末の不規則な粒子サイズと形状により、不均一な充填形態が生じ、粉末成形体の充填密度にばらつきが生じることがよくあります。ファンデルワールス引力による粉末の制御不能な凝集も、微細構造の不均一性を引き起こす可能性があります。[ 16 ] [ 30 ]
不均一な乾燥収縮の結果として発生する差応力は、溶媒が除去される速度に直接関係しており、したがって多孔性の分布に大きく依存します。このような応力は、固結体の塑性から脆性への遷移と関連付けられており、[ 31 ]緩和されないと未焼成体の亀裂伝播 につながる可能性があります。
さらに、窯に入れる準備段階での成形体の充填密度の変動は、焼結プロセス中に増幅されることが多く、不均一な緻密化を引き起こします。[ 32 ] [ 33 ]密度変動に関連するいくつかの気孔やその他の構造欠陥は、成長して終点密度を制限することにより、焼結プロセスにおいて有害な役割を果たすことが示されています。[ 34 ]不均一な緻密化から生じる差応力は、内部亀裂の伝播を引き起こし、強度を制御する欠陥となることも示されています。[ 35 ]
したがって、グリーン密度を最大化する粒子サイズ分布を使用するのではなく、成分分布と多孔性に関して物理的に均一な方法で材料を処理することが望ましい。懸濁液中の強く相互作用する粒子の均一に分散した集合体を保持するには、粒子間の相互作用を完全に制御する必要がある。単分散コロイドはこの可能性を提供する。[ 36 ]
例えば、コロイドシリカの単分散粉末は、凝集によって生じるコロイド結晶または多結晶コロイド固体において高い秩序度を確保するのに十分なほど安定化される可能性がある。秩序度は、より長距離の相関関係が確立されるために許容される時間と空間によって制限されるようである。[ 37 ] [ 38 ]
このような欠陥のある多結晶コロイド構造は、サブマイクロメートルサイズのコロイド材料科学の基本要素であると考えられ、したがって、多結晶セラミックスなどの無機系における微細構造の進化に関わるメカニズムをより厳密に理解するための第一歩となる。
これらは通常、連続マトリックスと、セラミック粒子、ウィスカー、または短繊維（切断繊維）もしくは連続セラミック繊維の分散相という2つのセラミック構成要素から成ります。湿式化学処理と同様に、課題は分散粒子または繊維相の均一または均質な分布を得ることです。[ 39 ] [ 40 ]
まず、粒子複合材料の加工について考えてみましょう。最も関心のある粒子相は正方晶ジルコニアです。これは、準安定正方晶相から単斜晶相への相転移、すなわち相転移強化によって強化が得られるためです。また、炭化ケイ素、二ホウ化チタン、炭化チタン、ホウ素、炭素などの硬質非酸化物相、特にアルミナやムライトなどの酸化物マトリックスの分散にも関心があります。さらに、他のセラミック粒子、特に熱膨張の異方性が高いもの、例えば酸化アルミニウム、二酸化チタン、グラファイト、窒化ホウ素などを組み込むことにも関心があります。[ 39 ] [ 40 ]
粒子複合材料の加工では、分散相とマトリックス相のサイズと空間分布の均一性だけでなく、マトリックスの粒径の制御も問題となります。ただし、分散相によるマトリックスの粒成長の抑制により、ある程度の自己制御機能が組み込まれています。粒子複合材料は、一般的に損傷、破壊、またはその両方に対する耐性が向上していますが、組成の不均一性や、気孔などの他の加工欠陥に対しては依然として非常に敏感です。したがって、効果を発揮するには適切な加工が必要です。[ 1 ] [ 15 ]
粒子状複合材料は、2つの構成要素の粉末を混合することによって商業的に製造されてきた。このアプローチは達成できる均質性に本質的に限界があるものの、既存のセラミック製造技術に最も容易に適用できる。しかし、他のアプローチも興味深い。[ 1 ] [ 15 ]
技術的な観点から、粒子複合材料を製造する上で望ましいアプローチは、分散相の微粒子上にマトリックスまたはその前駆体をコーティングし、出発原料となる分散粒子のサイズと、それによって得られるマトリックスコーティングの厚さを適切に制御することである。原理的には、分布の完全な均一性を実現し、複合材料の性能を最適化することが可能であるはずだ。これは、多孔性を有する物体において、より有用な複合材料性能を実現できるなど、他の側面にも影響を及ぼす可能性がある。多孔性は、熱伝導率の抑制など、他の要因から望ましい場合もある。
溶融加工を利用してセラミック、粒子、ウィスカー、短繊維、連続繊維複合材料を製造する機会もいくつかあります。粒子およびウィスカー複合材料は、溶融物の凝固後の固相析出によって実現できます。析出強化型部分安定化ジルコニアのように、焼結によって実現できる場合もあります。同様に、セラミック共晶混合物を一方向に凝固させて、一軸配向繊維複合材料を得ることも知られています。このような複合材料加工は通常、非常に単純な形状に限定されており、加工コストが高いため深刻な経済的問題を抱えています。[ 39 ] [ 40 ]
これらのアプローチの多くに溶融鋳造法が利用できる可能性がある。さらに望ましいのは、溶融由来の粒子を用いることである。この方法では、固溶体または微細な共晶組織中で急冷を行い、その後、粒子をより一般的なセラミック粉末加工法で加工して有用な成形体とする。また、溶融スプレー法と併せて分散粒子、ウィスカー、または繊維相を導入することで複合材料を形成する手段として、溶融スプレー法を用いる予備的な試みも行われている。
溶融浸透法以外にも、長繊維強化セラミック複合材料を製造する方法としては、化学気相浸透法や、繊維プリフォームに有機前駆体を浸透させる方法がある。後者は熱分解後、低密度の非晶質セラミックマトリックスを生成する。浸透と熱分解を繰り返すことで、これらのタイプのセラミックマトリックス複合材料が製造される。化学気相浸透法は、炭素繊維または炭化ケイ素繊維で強化された炭素／炭素複合材料や炭化ケイ素複合材料の製造に用いられる。
多くのプロセス改善に加えて、繊維複合材料の2つの主要なニーズのうちの1つ目は、繊維コストの低減です。2番目の主要なニーズは、酸化条件下での高温複合材料への曝露によって生じる劣化を低減するための繊維組成物またはコーティング、あるいは複合材料の加工です。[ 39 ] [ 40 ]
技術セラミックスの製品には、スペースシャトル計画で使用されるタイル、ガスバーナーノズル、防弾材、核燃料用酸化ウランペレット、生体医療用インプラント、ジェットエンジンのタービンブレード、ミサイルのノーズコーンなどがある。
同社の製品は、粘土以外の素材から作られることが多く、それらの素材は特定の物理的特性に基づいて選ばれています。それらは以下のように分類できます。
セラミックスは、多くの技術分野で利用されています。その一例として、NASAのスペースシャトルに使用されているセラミックタイルが挙げられます。これは、スペースシャトルや将来の超音速宇宙機を、大気圏再突入時の灼熱から保護するために用いられています。また、電子機器や光学分野でも広く使用されています。ここに挙げた用途に加え、セラミックスは様々な工学分野でコーティング材としても利用されています。例えば、航空機に使用されるチタン製フレームにセラミック製のベアリングコーティングを施すといったケースが挙げられます。近年では、従来の多結晶材料に加え、単結晶やガラス繊維の研究も行われるようになり、これらの応用分野は急速に拡大・変化しています。
セラミック材料は、極端な温度での特性と、環境法によってガラス繊維や炭素繊維の使用がますます困難になっていることから、航空宇宙分野で使用されています。[ 41 ] [ 42 ]
生体医療用途におけるセラミック構造は、非金属特性と、重要な部位での多くの荷重支持用途に必要な機械的強度のため好まれてきました。しかし、長期間の使用における人工装具の摩耗を軽減するためには、セラミック部品の製造は精密でなければなりません。[ 49 ]
自動車分野におけるセラミックスの用途としては、自動車エンジン内部の機械構造の最適化、絶縁性、そしてエンジン内で発生する急速な燃焼に対する耐性などが挙げられる。
珪化作用は生物界で非常に一般的であり、細菌、単細胞生物、植物、動物（無脊椎動物と脊椎動物）で起こります。このような環境で形成される結晶性鉱物は、しばしば優れた物理的特性（強度、硬度、破壊靭性など）を示し、長さや空間スケールの範囲にわたって微細構造の秩序を示す階層構造を形成する傾向があります。これらの鉱物は、ケイ素に対して不飽和な環境、中性pH、低温（0～40 ℃）の条件下で結晶化します。鉱物の形成は、生物の細胞壁の内側または外側で起こり、脂質、タンパク質、炭水化物を含む鉱物沈着のための特定の生化学反応が存在します。
ほとんどの天然（または生物）材料は複雑な複合材料であり、それらを構成する弱い構成要素を考慮すると、機械的特性はしばしば非常に優れています。数億年の進化を経て生まれたこれらの複雑な構造は、過酷な条件下でも高い性能を発揮する、優れた物理的特性を持つ新しい材料の設計にインスピレーションを与えています。階層性、多機能性、自己修復能力などの特徴は、現在研究されています。[ 56 ]
基本的な構成要素は20種類のアミノ酸から始まり、ポリペプチド、多糖類、ポリペプチド-糖類へと続きます。これらはさらに基本タンパク質を構成し、タンパク質はほとんどの生体鉱物に共通する「軟組織」の主要構成要素です。1,000種類以上のタンパク質が存在する中で、現在の研究ではコラーゲン、キチン、ケラチン、エラスチンの使用が重視されています。「硬質」相は、結晶性鉱物によって強化されることが多く、結晶性鉱物は、個々の結晶のサイズ、形状、分布を決定する生体媒介環境下で核生成および成長します。最も重要な鉱物相は、ヒドロキシアパタイト、シリカ、アラゴナイトであることが確認されています。WegstとAshbyの分類を用いて、生体セラミックス、ポリマー複合材料、エラストマー、細胞材料の主な機械的特性と構造が提示されています。各クラスの選択されたシステムは、さまざまな長さスケールにわたる微細構造と機械的応答との関係に重点を置いて調査されています。
このように、自然界における無機物の結晶化は一般的に常温常圧下で起こる。しかし、これらの鉱物を形成する生命体は、極めて精密で複雑な構造を一貫して作り出す能力を持っている。生物がシリカなどの結晶性鉱物の成長を制御するプロセスを理解することは、材料科学の分野における大きな進歩につながる可能性がある。
アワビの貝殻の真珠層（または真珠母）部分は、既知の非金属物質の中で最も高い機械的強度と破壊靭性を示します。アワビの貝殻の真珠層は、材料科学において最も集中的に研究されている生物学的構造の1つとなっています。これらの画像には、薄い有機シートで隔てられた整然と積み重なった（または整列した）鉱物タイルと、より大きな周期的な成長帯のマクロ構造がはっきりと見え、これらが集合して、科学者が現在階層的複合構造と呼んでいるものを形成しています。（階層という用語は、幅広い長さスケールにわたって存在するさまざまな構造的特徴があることを意味します）。[ 57 ]
今後の発展は、生物システムに特徴的な加工方法と戦略による生体模倣材料の合成にある。これには、構成要素のナノスケールでの自己組織化と階層構造の開発が含まれる。[ 37 ] [ 38 ] [ 58 ] [ 59 ]
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