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セラミックとは、粘土などの無機非金属材料を成形し、高温で焼成することによって作られる、硬くて脆く、耐熱性、耐腐食性に優れた様々な材料の総称である。 [ 1 ] [ 2 ]一般的な例としては、陶器、磁器、レンガなどがある。
人類が最初に作った陶器は、家屋の壁やその他の構造物を建てるために使われた焼成粘土レンガでした。壺、容器、花瓶、置物などの他の陶器は、粘土単体、またはシリカなどの他の材料と混ぜて作られ、火で焼結して硬化しました。その後、陶器は釉薬をかけて焼成され、結晶質のセラミック基板の上にガラス質の非晶質セラミックコーティングを施すことで多孔性を減らし、滑らかで色付きの表面に仕上げられました。 [ 3 ]現在、セラミックには家庭用、工業用、建築用製品のほか、半導体などの高度なセラミック工学で使用するために開発された幅広い材料が含まれています。
「ceramic 」という単語[ a ]は、古代ギリシャ語のκεραμικός（keramikós ）に由来し、「陶器の、または陶器のための」という意味です[ 5 ]（κέραμος（kéramos）「陶工の粘土、タイル、陶器」から）。[ 6 ]語根ceram-の最も古い既知の言及は、線文字B音節文字で書かれたミケーネ・ギリシャ語のke-ra-me-we 、陶器の職人です。 [ 7 ]「ceramic」という単語は、材料、製品、またはプロセスを説明する形容詞として使用することも、単数形またはより一般的には複数形のceramicsとして名詞として使用することもできます。[ 8 ]
セラミック材料は、無機物、金属酸化物、窒化物、または炭化物です。炭素やケイ素などの一部の元素は、セラミックとみなされる場合があります。セラミック材料は脆く、硬く、圧縮に強く、せん断と引張に弱いです。酸性または腐食性の環境にさらされた他の材料で発生する化学的侵食に耐えます。セラミックは一般的に、1,000 °C から 1,600 °C [ 9 ] (1,800 °F から 3,000 °F)の非常に高い温度に耐えることができます。 [ 10 ]
セラミック材料の結晶性は大きく異なります。焼成されたセラミックは、陶器、炻器、磁器の場合のように、ほとんどの場合、ガラス化または半ガラス化されています。イオン結合と共有結合の結晶性と電子組成が変化すると、ほとんどのセラミック材料は優れた熱絶縁体および電気絶縁体になります（セラミック工学で研究されています）。セラミックの組成/構造には、非常に多くの選択肢があるため（ほぼすべての元素、ほぼすべての種類の結合、およびすべてのレベルの結晶性）、この主題の範囲は広大であり、識別可能な属性（硬度、靭性、電気伝導率）をグループ全体として指定することは困難です。高い融点、高い硬度、低い伝導率、高い弾性率、耐薬品性、低い延性などの一般的な特性が標準ですが、[ 11 ]これらの規則のそれぞれに既知の例外があります（圧電セラミック、低いガラス転移温度セラミック、超伝導セラミック）。
ガラス繊維や炭素繊維などの複合材料は、セラミック材料を含んでいますが、セラミックファミリーの一部とはみなされていません。[ 12 ]
高度に配向した結晶性セラミック材料は、幅広い加工方法には適していません。そのため、加工方法は大きく分けて2つのカテゴリーに分類されます。1つは、その場で反応させて所望の形状のセラミックを製造する方法、もう1つは、粉末を所望の形状に成形してから焼結して固体にする方法です。セラミック成形技術には、手作業による成形（回転成形と呼ばれる工程を含む場合もあります）、スリップキャスティング、テープキャスティング（極薄セラミックコンデンサの製造に使用）、射出成形、乾式プレス成形、その他の様々な方法があります。
多くのセラミックス専門家は、ガラス製造にはセラミックプロセスのいくつかのステップが含まれており、その機械的特性はセラミック材料のものと似ているにもかかわらず、非晶質（非結晶性）特性を持つ材料（つまりガラス）をセラミックスとは考えていません。しかし、熱処理によってガラスをガラスセラミックスとして知られる半結晶性材料に変換することができます。[ 13 ]
従来のセラミック原料にはカオリナイトなどの粘土鉱物が含まれる一方、近年ではアルミナとして知られる酸化アルミニウムが用いられるようになっている。先進セラミックスに分類される現代のセラミック材料には、炭化ケイ素や炭化タングステンなどがある。これらは耐摩耗性に優れているため、鉱山における破砕装置の摩耗板などの用途に用いられている。先進セラミックスは、医療、電気、電子機器、装甲などの産業分野でも利用されている。
人類は少なくとも 26,000 年前から陶器を作っていたようで、粘土とシリカを高温にさらして融合させ、陶器を作っていた。これまでに発見された最古の陶器は、中央ヨーロッパ南部で発見されたもので、皿ではなく彫刻された像だった。[ 14 ]最も古い陶器は、動物性製品を粘土と混ぜて、最高800 °C (1,500 °F)で焼成して作られた。陶器の破片は 19,000 年前のものまで発見されているが、通常の陶器が一般的になったのは約 10,000 年後のことだった。ヨーロッパの大部分に広がった初期の民族は、陶器の使用にちなんで、縄目文土器文化と呼ばれている。この初期のインド・ヨーロッパ人は、陶器がまだ湿っている間に縄で包んで装飾した。陶器が焼成されると縄は燃え尽きるが、表面に複雑な溝の装飾模様が残る。
ろくろの発明は、最終的にろくろ成形（ろくろを使った成形）技術を用いた、より滑らかで均一な陶器の製造につながった。初期の陶器は多孔質で、水を容易に吸収した。釉薬技術の発見により、陶器にシリコン、骨灰、または溶融してガラス状の表面を形成する他の材料を塗布することで、より多くの製品に釉薬が役立つようになり、器の吸水性が低下した。
陶器の遺物は、過去の人々の文化、技術、行動を理解する上で、考古学において重要な役割を果たします。これらは遺跡で発見される最も一般的な遺物の一つであり、一般的には陶片と呼ばれる小さな破片の形で見つかります。収集された陶片の処理は、技術的分析と伝統的分析という2つの主要な分析方法に分けられます。
伝統的な分析では、陶器の遺物、破片、およびより大きな断片を、様式、構成、製造方法、および形態に基づいて特定のタイプに分類します。これらの類型を作成することにより、さまざまな文化様式、陶器の目的、および人々の技術レベルなどを区別することが可能になります。さらに、時間の経過に伴う陶器の様式の変化を調べることにより、陶器を明確な診断グループ（集合体）に分類（系列化）することが可能になります。陶器の遺物を既知の年代の集合体と比較することにより、これらの遺物の年代を割り当てることができます。[ 15 ]
陶磁器分析の技術的アプローチでは、陶器の遺物や破片の組成をより詳細に調べ、材料の産地、ひいては製造場所を特定します。重要な基準は、調査対象の陶器の製造に使用された粘土と混和材の組成です。混和材とは、製造初期段階で粘土に添加される材料で、その後の乾燥工程を促進するために使用されます。混和材の種類には、貝殻片、花崗岩片、粉砕した破片（「グロッグ」と呼ばれる）などがあります。混和材は通常、混和材を顕微鏡で観察することによって特定されます。粘土の特定は、陶器を再焼成し、マンセル土壌色表を用いて色を割り当てるプロセスによって行われます。粘土と混和材の両方の組成を推定し、両方が存在することが知られている地域を特定することで、材料の産地を特定できます。遺物の産地の特定に基づいて、製造場所に関するさらなる調査を行うことができます。
あらゆるセラミック物質の物理的特性は、その結晶構造と化学組成に直接起因します。固体化学は、微細構造と特性との間の根本的な関係を明らかにします。例えば、局所的な密度変化、粒径分布、気孔の種類、第二相含有量などです。これらはすべて、ホール・ペッチの式による機械的強度σ、硬度、靭性、誘電率、透明材料が示す光学特性などのセラミック特性と相関させることができます。
セラモグラフィーとは、セラミック微細構造の作製、観察、評価を行う技術と科学のことである。セラミック微細構造の評価と特性評価は、ナノテクノロジーという新興分野で一般的に用いられるのと同様の空間スケール、すなわちナノメートルから数十マイクロメートル（μm）の範囲で行われることが多い。これは通常、可視光の最小波長と肉眼の解像度限界の間のどこかに位置する。
微細構造には、ほとんどの結晶粒、二次相、粒界、気孔、微小亀裂、構造欠陥、および硬度微小圧痕が含まれます。バルクの機械的、光学的、熱的、電気的、および磁気的特性のほとんどは、観察される微細構造によって大きく影響を受けます。製造方法とプロセス条件は、一般的に微細構造によって示されます。多くのセラミックの破損の根本原因は、劈開および研磨された微細構造に明らかです。材料科学および工学の分野を構成する物理的特性には、次のものが含まれます。
機械的特性は、構造材料や建築材料、そして繊維製品において重要です。現代の材料科学において、破壊力学は材料や部品の機械的性能を向上させるための重要なツールです。破壊力学は、応力とひずみの物理学、特に弾性理論と塑性理論を、実際の材料に見られる微細な結晶学的欠陥に適用し、物体の巨視的な機械的破壊を予測します。破壊解析は、破壊力学と併用して、破壊の原因を理解し、理論的な破壊予測を実際の破壊事例で検証するために広く用いられています。
セラミック材料は通常、イオン結合または共有結合で結合した材料です。どちらの結合方法でも、材料は塑性変形が起こる前に破壊する傾向があり、その結果、これらの材料は靭性が低く、脆性を示します。さらに、これらの材料は多孔質であるため、気孔やその他の微細な欠陥が応力集中点として働き、靭性をさらに低下させ、引張強度を低下させます。これらの要因が複合的に作用し、金属のより延性的な破壊モードとは対照的に、破壊的な破壊を引き起こします。
これらの材料は塑性変形を示す。しかし、結晶材料は剛性の高い構造をしているため、転位が移動できるすべり系が非常に少なく、そのため変形速度は非常に遅い。
脆性という問題を克服するため、セラミック材料の開発では、セラミック繊維が埋め込まれ、特殊なコーティングによって亀裂を跨ぐ繊維橋を形成するセラミックマトリックス複合材料という新たな分野が開拓された。このメカニズムにより、セラミック材料の破壊靭性が大幅に向上する。セラミックディスクブレーキは、特殊な製造プロセスで製造されたセラミックマトリックス複合材料を用いた例である。
科学者たちは、破損することなく大きな変形に耐えられるセラミック材料の開発に取り組んでいる。室温で変形できる最初の材料は2024年に発見された。[ 16 ]
セラミックスの靭性を向上させ、破壊を防止するために、多くの戦略が用いられている。これには、亀裂偏向、微小亀裂強化、亀裂架橋、延性粒子の添加、および相変態強化などが含まれる。
亀裂偏向は、亀裂をより速い亀裂伝播経路から遠ざけることで、壊滅的な突然の破壊を防ぐ強化機構である。[ 17 ]亀裂は、ウィスカーなどの微細構造を使用して偏向させることができる。例えば、1987年の論文で詳述されている、二ケイ化モリブデンセラミック材料を強化するために炭化ケイ素ウィスカーを使用する例などである。 [ 18 ]亀裂偏向第二相は、板状、粒子、または繊維の形をとることもある。[ 19 ]
マイクロクラック強化は、亀裂が伝播する巨視的な亀裂先端付近でマイクロクラックを核生成（生成）させることで、先端にかかる応力を下げ、亀裂伝播の緊急性を軽減する。[ 20 ]靭性を向上させるために、第二相粒子をセラミックに組み込むことで、マイクロクラックが発生しやすくなり、応力が緩和されて破壊を防ぐことができる。[ 21 ]
亀裂架橋は、強固な不連続強化相が亀裂の先端の後ろに力を加え、それ以上の亀裂の進行を抑制するときに発生します。これらの第二相架橋は、実質的に亀裂を固定してその進展を抑制します。亀裂架橋は、セラミックに第二相ウィスカーやその他の形状を組み込むことによって靭性を向上させるために使用できます。[ 22 ]
延性粒子セラミックマトリックス複合材料は、セラミックマトリックス中に分散された金属などの延性粒子で構成されています。これらの粒子は、塑性変形してエネルギーを吸収し、進行する亀裂を架橋することによって靭性を向上させます。最も効果的にするには、粒子は互いに分離されている必要があります。これらの複合材料の最もよく研究されている例は、アルミナマトリックスと、ニッケル、鉄、モリブデン、銅、または銀の金属粒子で構成されています。[ 23 ]
変形強化は、材料が応力誘起相変形を起こすときに発生します。一部のセラミックスは、応力誘起マルテンサイト変態を起こすことができ、これはエネルギーを吸収することによって克服しなければならないエネルギー障壁を伴います。[ 24 ]マルテンサイト変態は拡散のないせん断変態であり[ 25 ]、高温で安定な「オーステナイト」または「母相」と低温で安定な「マルテンサイト」相との間の遷移を伴います。[ 26 ]変形はエネルギーを吸収するため、応力誘起マルテンサイト変態は亀裂の進行を妨げ、靭性を向上させることができます。この現象の重要な例はジルコニアであり、そのマルテンサイト変態は、正方晶構造（オーステナイト相）から単斜晶構造への結晶構造の変形を伴います。正方晶から単斜晶への変形に伴う体積増加は、亀裂先端での引張応力も緩和し、亀裂の発生をさらに抑制し、靭性を向上させます。[ 24 ]セラミックマトリックス中のジルコニア粒子が製造中に冷却によって変形すると、粒子の周囲の応力場によって微小亀裂の核生成と進展が起こり、材料の靭性も向上する可能性がある。これらの応力場と粒子自体も亀裂の偏向に寄与する可能性がある。[ 27 ]
セラミックが大きな機械的負荷を受けると、氷テンプレート法と呼ばれるプロセスを経て、セラミック製品の微細構造をある程度制御でき、ひいては機械的特性をある程度制御できるようになります。セラミック技術者はこの技術を使用して、機械的特性を目的の用途に合わせて調整します。具体的には、この技術を使用すると強度が向上します。氷テンプレート法では、一方向に配置された巨視的な細孔を作成できます。この酸化物強化技術の応用は、固体酸化物燃料電池や水ろ過装置にとって重要です。[ 28 ]
氷テンプレート法でサンプルを処理するには、溶解したセラミック粉末がコロイド全体に均一に分散した水性コロイド懸濁液を調製します[ 29 ] 。例えば、イットリア安定化ジルコニア（YSZ）です。次に、溶液を一方向冷却が可能なプラットフォーム上で下から上に冷却します。これにより、氷結晶が一方向冷却に従って成長し、これらの氷結晶が溶解したYSZ粒子を固液界面の凝固前線に押し込み、コロイド粒子の濃縮ポケットの横に一方向に並んだ純粋な氷結晶が形成されます。次に、サンプルを加熱し、同時に圧力を十分に下げて氷結晶を昇華させ、 YSZポケットが互いにアニーリングを開始して巨視的に整列したセラミック微細構造を形成します。その後、サンプルをさらに焼結して残留水の蒸発とセラミック微細構造の最終的な固化を完了します。
氷テンプレート法では、いくつかの変数を制御することで、微細構造の細孔サイズと形態に影響を与えることができます。これらの重要な変数は、コロイドの初期固形分量、冷却速度、焼結温度と時間、およびプロセス中に微細構造の形態に影響を与える可能性のある特定の添加剤の使用です。これらのパラメータをよく理解することは、異方性多孔質材料の加工、微細構造、および機械的特性の関係を理解するために不可欠です。[ 30 ]
セラミックスの中には半導体となるものがあります。そのほとんどは、酸化亜鉛などのII-VI族半導体である遷移金属酸化物です。酸化亜鉛から青色発光ダイオード（LED）を大量生産する見込みはありますが、セラミックス研究者が最も関心を寄せているのは、粒界効果を示す電気特性です。その中でも最も広く使われているのがバリスタです。バリスタは、ある閾値電圧で抵抗が急激に低下する性質を持つ素子です。素子にかかる電圧が閾値に達すると、粒界付近の電気構造が破壊され、電気抵抗が数メガオームから数百オームまで低下します。バリスタの大きな利点は、大量のエネルギーを放散でき、自己リセット機能を持つことです。つまり、素子にかかる電圧が閾値を下回ると、抵抗は再び高い値に戻ります。そのため、バリスタはサージ保護用途に最適です。閾値電圧とエネルギー許容範囲を制御できるため、あらゆる用途で利用されています。その性能が最もよく発揮されるのは変電所で、そこでは落雷からインフラを保護するために使用されています。応答速度が速く、メンテナンスの手間が少なく、使用による劣化もほとんどないため、この用途には事実上理想的なデバイスと言えます。半導体セラミックスはガスセンサーとしても使用されています。多結晶セラミックに様々なガスを流すと、その電気抵抗が変化します。想定されるガス混合物に合わせて調整することで、非常に安価なデバイスを製造できます。
極低温などの特定の条件下では、一部のセラミックスは高温超伝導性を示す（超伝導における「高温」とは30K以上を意味する）。その理由は解明されていないが、超伝導性セラミックスには大きく分けて2つの種類がある。
圧電効果とは、電気的な応答と機械的な応答を結びつける性質であり、時計やその他の電子機器で時間を計測する水晶など、多くのセラミック材料に見られます。このようなデバイスは、圧電効果の2つの特性、すなわち電気を使って機械的な動きを生み出し（デバイスに電力を供給）、次にその機械的な動きを利用して電気を生み出す（信号を生成する）という両方の性質を利用しています。計測される時間の単位は、電気エネルギーが機械エネルギーに変換され、再び電気エネルギーに戻るのに必要な自然な時間間隔です。
圧電効果は、焦電性も示す材料において一般的に強く、すべての焦電材料は圧電性も示します。これらの材料は、熱エネルギー、機械エネルギー、電気エネルギーの間で相互変換するために使用できます。例えば、炉で合成された焦電結晶は、外部応力を加えずに冷却すると、数千ボルトの静電荷を蓄積します。このような材料はモーションセンサーに使用されており、温かい物体が部屋に入ってくると、わずかな温度上昇でも結晶に測定可能な電圧が発生します。
一方、焦電効果は、静電場を印加することで安定した電気双極子の向きを変えたり反転させたりできる強誘電効果を示す材料において最も顕著に現れる。焦電効果は強誘電性の必然的な結果でもある。この性質は、強誘電体コンデンサ（強誘電体RAMの構成要素）に情報を記憶するために利用できる。
こうした材料として最も一般的なのは、チタン酸ジルコン酸鉛とチタン酸バリウムである。上記で述べた用途以外にも、これらの材料の強い圧電応答は、高周波スピーカー、ソナー用トランスデューサー、原子間力顕微鏡や走査型トンネル顕微鏡用アクチュエータの設計に利用されている。
半導体セラミック材料、特に重金属チタン酸塩の混合物では、温度上昇によって粒界が突然絶縁状態になることがあります。この臨界転移温度は、化学組成を変化させることで広範囲に調整可能です。このような材料では、ジュール熱によって転移温度に達するまで電流が流れ続け、転移温度に達すると回路が遮断され、電流の流れが停止します。このようなセラミックは、例えば自動車のリアウィンドウのデフロスト回路などにおいて、自己制御型の発熱体として利用されています。
転移温度では、材料の誘電応答は理論的に無限大となる。温度制御が不可能なため、臨界温度付近での材料の実用化は不可能だが、誘電効果ははるかに高い温度でも非常に強いままである。室温をはるかに下回る臨界温度を持つチタン酸塩が、セラミックコンデンサの分野で「セラミック」の代名詞となっているのは、まさにこのためである。
光学的に透明な材料は、さまざまな波長の入射光波に対する材料の応答に焦点を当てています。周波数選択性光学フィルターは、デジタル画像の明るさやコントラストを変更または強調するために使用できます。周波数選択性導波路を介した導波光波伝送は、光ファイバーという新興分野と、特定のガラス組成物がさまざまな周波数を同時に伝送する媒体（マルチモード光ファイバー）として機能し、競合する波長や周波数間の干渉がほとんどまたはまったくないことに関係しています。電磁波（光）伝搬によるこの共鳴モードのエネルギーとデータ伝送は、低出力ではありますが、実質的に損失がありません。光導波路は、集積回路（発光ダイオード、LEDなど）のコンポーネントとして、またはローカルおよび長距離光通信システムの伝送媒体として使用されます。新興の材料科学者にとって価値があるのは、電磁スペクトルの熱赤外線（IR）領域の放射線に対する材料の感度です。この熱追従能力は、暗視やIR発光などのさまざまな光学現象の原因となっています。
そのため、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（電磁波）を透過できる、高強度で堅牢な材料へのニーズが高まっている。これらの材料は、次世代高速ミサイルやポッドなどの透明装甲を必要とする用途、および即席爆発装置（IED）に対する防御に必要とされる。
1960年代、ゼネラル・エレクトリック（GE）の科学者たちは、適切な製造条件下では、一部のセラミックス、特に酸化アルミニウム（アルミナ）を半透明にできることを発見した。これらの半透明材料は、高圧ナトリウム街灯で発生する電気プラズマを封じ込めるのに十分な透明度を持っていた。過去20年間で、熱追尾ミサイルのノーズコーン、戦闘機の窓、コンピュータ断層撮影スキャナーのシンチレーションカウンターなどの用途向けに、さらに多くの種類の透明セラミックスが開発されてきた。上記よりも一般的に高い純度を必要とするその他のセラミックス材料には、以下のようないくつかの化学化合物の形態が含まれる。
便宜上、セラミック製品は通常4つの主要なタイプに分けられます。以下にいくつかの例とともに示します。[ 32 ]
現代の陶磁器の原材料には、粘土が含まれていない場合が多い。[ 34 ] 粘土が含まれている場合は、以下のように分類される。
セラミックスは、大きく3つの材料カテゴリーに分類することもできます。
これらの各クラスは、それぞれ独自の材料特性へと発展させることができる。
