セラミック工学

セラミック工学は、無機の非金属材料から物体を作成する科学技術です。これは、熱の作用によって、または高純度の化学溶液からの沈​​殿反応を使用して低温で行われます。この用語には、原材料の精製、関連する化合物の研究と製造、成分への形成、構造、組成、特性の研究が含まれます。

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持つ場合があります。ガラスセラミックは、限定的または短距離の原子秩序を持つ非晶質またはガラス構造を持つ場合があります。これらは、冷却すると固まる溶融塊から形成されるか、熱の作用によって形成および成熟するか、または、水熱合成またはゾルゲル合成などを使用して低温で化学的に合成されます。

セラミック材料の特殊性により、材料工学、電気工学、化学工学、機械工学の分野で多くの用途が生まれています。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多くの用途に使用できます。セラミック材料は、鉱業、航空宇宙、医療、製油所、食品および化学産業、包装科学、エレクトロニクス、産業および伝送電力、導波光伝送など、幅広い業界で使用されています。^[1]

「セラミック」という言葉は、陶器を意味するギリシャ語のκεραμικός ( keramikos )に由来しています。これは、古いインド・ヨーロッパ語の語源「燃やす」に関連しています。^[2]「セラミック」は、セラミック材料またはセラミック製造の製品を指す単数名詞として、または形容詞として使用されます。セラミックスは、セラミック材料から物を作ることです。セラミック工学は、多くの科学と同様に、今日の基準では異なる分野から発展しました。材料科学工学は、今日でもセラミック工学と一緒に分類されています。^[要出典]

1709年、イギリスのシュロップシャーでアブラハム・ダービーが初めてコークスを使用し、製錬工程の収率を改善しました。^[要出典]コークスは現在、炭化物セラミックの製造に広く使用されています。陶工ジョサイア・ウェッジウッドは1759年、イギリスのストーク・オン・トレントに初の近代的な陶磁器工場を開設しました。ロシアの繊維産業に携わっ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方法を開発しました。バイヤー法は現在でもセラミック産業やアルミニウム産業でアルミナを精製するために使用されています。^{[要出典]ピエール・キュリーとジャック・}キュリー兄弟は 1880年頃、ロ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。

EG アチソンは1893 年にコークスと粘土の混合物を加熱し、カーボランダム、つまり合成シリコンカーバイドを発明しました。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SiC とタングステンカーバイドを合成しました。カール・シュレーターは 1923 年にドイツで、モアッサンのタングステンカーバイド粒子をコバルトと結合または「セメント」するために液相焼結を使用しました。セメント結合 (金属結合) されたカーバイドの刃先は、硬化鋼の切削工具の耐久性を大幅に向上させます。WHネルンストは1920 年代にベルリンで立方晶安定化ジルコニアを開発しました。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ます。エンジニアリングにおけるセラミックスの使用の主な制限は脆さです。^[1]

第二次世界大戦の軍事的要求により開発が促進され、高性能材料の必要性が生まれ、セラミック科学と工学の発展が加速しました。1960 年代から 1970 年代にかけて、原子力、電子工学、通信、宇宙旅行の進歩に応じて新しいタイプのセラミックが開発されました。1986 年にセラミック超伝導体が発見されたことで、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を開発するための熱心な研究が促進されました。^{[引用が必要]}

軍事分野では、可視光線（0.4～0.7マイクロメートル）と中赤外線（1～5マイクロメートル）のスペクトル領域の光を透過する能力を持つ高強度で堅牢な材料に対するニーズが高まっています。これらの材料は、透明装甲を必要とする用途に必要です。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す。透明装甲システムの主な要件は、指定された脅威を打ち負かすだけでなく、周囲の歪みを最小限に抑えながら複数のヒット能力を提供することです。透明装甲ウィンドウは、暗視装置と互換性がある必要もあります。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ます。^[3]

このような固体部品は、光波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、ガスレーザーの光学窓材料、ミサイル誘導システムおよび赤外線暗視装置用の赤外線（IR）熱追跡装置など、電気光学分野のさまざまな用途に広く使用されています。^[4]

現在、年間数十億ドル規模の産業であるセラミック工学と研究は、重要な科学分野としての地位を確立しています。研究者がさまざまな目的に使用できる新しい種類のセラミックを開発するにつれて、その用途は拡大し続けています。^{[1] [5]}

• ナイフの製造には二酸化ジルコニウムセラミックが使用されています。セラミックナイフの刃は鋼鉄ナイフよりもずっと長く鋭いままですが、より脆く、硬い表面に落とすと折れてしまうことがあります。
• アルミナ、炭化ホウ素、炭化ケイ素などのセラミックは、小火器のライフルの射撃を撃退するための防弾チョッキに使用されています。このようなプレートは、一般に防弾プレートとして知られています。同様の素材は、軽量であることから、一部の軍用機のコックピットを保護するために使用されています。
• 窒化ケイ素部品はセラミックボールベアリングに使用されています。硬度が高いため、摩耗しにくく、寿命が 3 倍以上になります。また、荷重がかかっても変形しにくいため、ベアリングの保持壁との接触が少なくなり、回転速度が速くなります。非常に高速な用途では、回転中の摩擦熱により金属ベアリングに問題が生じることがありますが、セラミックを使用することでこの問題は軽減されます。セラミックは耐薬品性も高く、スチールベアリングでは錆びてしまうような湿った環境でも使用できます。セラミックを使用する主な欠点は、コストがかなり高くなることです。多くの場合、セラミックの電気絶縁特性はベアリングにも役立ちます。^[要出典]
• 1980 年代初頭、トヨタは6000 °F (3300 °C) を超える温度で作動する断熱セラミック エンジンの製造を研究しました。セラミック エンジンは冷却システムを必要としないため、大幅な軽量化が可能になり、燃費が向上します。また、カルノーの定理で示されるように、エンジンの燃費は高温で高くなります。従来の金属製エンジンでは、金属部品の溶融を防ぐために、燃料から放出されるエネルギーの多くを廃熱として消散させる必要があります。これらの望ましい特性にもかかわらず、必要な精度と耐久性を備えたセラミック部品の製造が難しいため、このようなエンジンは生産されていません。セラミックの不完全さはひび割れにつながり、潜在的に危険な機器の故障につながる可能性があります。このようなエンジンは実験室環境では可能ですが、現在の技術では大量生産は実現できません。^[要出典]
• ガスタービン エンジン用のセラミック部品の開発が進められています。現在、エンジンの高温部で使用されている先進的な金属合金製のブレードでさえ、冷却と動作温度の慎重な制限が必要です。セラミック製のタービンエンジンはより効率的に動作し、一定量の燃料で航空機の航続距離と積載量を向上させることができます。^[要出典]

• 最近、歯科インプラントや人工骨などのバイオセラミックを含むセラミックの進歩がありました。骨の天然ミネラル成分であるハイドロキシアパタイトは、多くの生物学的および化学的源から合成されており、セラミック材料に成形できます。これらの材料から作られた整形外科用インプラントは、拒絶反応や炎症反応を起こすことなく、骨や体内の他の組織に容易に結合します。このため、遺伝子送達や組織工学の足場として非常に興味深いものです。ほとんどのハイドロキシアパタイトセラミックは非常に多孔質で機械的強度がないため、骨への結合を助けるために金属製整形外科用器具をコーティングしたり、骨充填剤として使用されます。また、炎症を軽減し、これらのプラスチック材料の吸収を高めるために、整形外科用プラスチックネジの充填剤としても使用されます。整形外科用体重負荷装置用の強力で完全に密度の高いナノ結晶ハイドロキシアパタイトセラミック材料を作成し、異質の金属およびプラスチック整形外科用材料を合成の、しかし自然に発生する骨ミネラルに置き換える作業が行われています。最終的には、これらのセラミック材料は骨の代替品として、またはタンパク質コラーゲンを組み込むことで合成骨として使用される可能性があります。^{[引用が必要]}
• 耐久性のあるアクチニド含有セラミック材料は、過剰なプルトニウムを燃焼させるための核燃料や、無人宇宙船の電源やマイクロエレクトロニクス機器の電力を生成するための化学的に不活性なアルファ線源など、多くの用途があります。放射性アクチニドの使用と処分は、耐久性のあるホスト材料に固定化する必要があります。アクチニドなどの長寿命放射性核種の核廃棄物は、多結晶セラミックスと大型単結晶をベースにした化学的に耐久性のある結晶材料を使用して固定化されます。^[6]

• アルミナセラミックスは、優れた化学的安定性と高い耐腐食性のため、化学業界で広く利用されています。耐酸性のポンプインペラやポンプ本体として使用され、腐食性の高い流体の移送において長期的な性能を保証します。^{[7] [8]}また、酸性のパイプのライニングにも使用され、汚染を防ぎ、流体の純度を維持します。これは、製薬や食品加工などの業界では非常に重要です。^[9] アルミナセラミックス製のバルブは、優れた耐久性と化学的攻撃に対する耐性を示し、腐食性液体の流れを制御するのに信頼性があります。^[10]

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「制御された結晶化」によって生産されます。ガラスセラミックには、体積比で組成の30% [m/m] から 90% [m/m] を占める結晶相が含まれることが多く、興味深い熱機械的特性を持つさまざまな材料を生み出します。^[5]

ガラスセラミックスの加工では、溶融ガラスを徐々に冷却してから再加熱して焼きなましを行う。この熱処理でガラスは部分的に結晶化する。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「核形成剤」が添加される。通常、加圧および焼結は行われないため、ガラスセラミックスには焼結セラミックスに典型的に存在する多孔性の体積分率は含まれない。^[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、興味深い熱機械的特性を持つ一連の材料を生み出します。これらの中で商業的に最も重要なものは、熱衝撃を受けないという特徴があります。そのため、ガラスセラミックはカウンタートップ調理に非常に役立っています。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 とバランスをとることができます。ある点 (約 70% 結晶) では、ガラスセラミックの正味 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は優れた機械的特性を示し、1000 °C までの繰り返しの急速な温度変化に耐えることができます。^{[1] [5]}

伝統的な陶磁器の製造工程は、一般的に粉砕→バッチング→混合→成形→乾燥→焼成→組み立てという順序で進みます。^{[11] [12] [13] [14]}

• 粉砕とは、材料を大きなサイズから小さなサイズに縮小するプロセスです。粉砕には、セメントで固めた材料を砕くこと（この場合、個々の粒子は形状を保持）や粉砕（粒子自体を小さなサイズに粉砕すること）が含まれます。粉砕は一般に機械的手段によって行われ、これには、摩擦（粒子同士の衝突により凝集体の破壊または粒子の剪断が生じる）、圧縮（破砕をもたらす力を加える）、衝撃（粉砕媒体または粒子自体を使用して破砕を引き起こす）が含まれます。摩擦粉砕装置には、水中のパドルで渦を発生させ、その中で材料が衝突して粉砕するウェットスクラバー（プラネタリーミルまたはウェットアトリションミルとも呼ばれる）が含まれます。圧縮ミルには、ジョークラッシャー、ローラークラッシャー、コーンクラッシャーが含まれます。衝撃ミルには、材料を転がして破砕する媒体を備えたボールミル、または共鳴音響ミキサーが含まれます。^[15]シャフトインパクターは粒子間の摩耗と圧縮を引き起こします。
• バッチ処理とは、レシピに従って酸化物を計量し、混合および乾燥のために準備するプロセスです。
• 混合はバッチ処理の後に行われ、乾式混合リボンミキサー（セメントミキサーの一種）、共鳴音響ミキサー、^[16]、ミューラーミキサー、^{[説明が必要]、}パグミルなどのさまざまな機械で実行されます。湿式混合には通常、同じ機器が使用されます。
• 成形とは、混合した材料を便器から点火プラグの絶縁体までさまざまな形にすることです。成形には、(1) 押し出し (レンガを作るために「スラグ」を押し出すなど)、(2) 成形部品を作るためのプレス、(3)スリップキャスティング(便器、洗面器、陶器の彫像などの装飾品を作る場合など) が含まれます。成形により、乾燥する準備が整った「グリーン」部品が生成されます。グリーン部品は柔らかく、しなやかで、時間が経つと形が崩れます。グリーン製品を扱うと、その形が変わります。たとえば、グリーンレンガは「圧縮」することができ、圧縮後はそのままの状態が続きます。
• 乾燥とは、成形された材料から水分や結合剤を除去することです。スプレー乾燥は、圧縮作業用の粉末を準備するために広く使用されています。その他の乾燥機には、トンネル乾燥機や周期乾燥機があります。この 2 段階のプロセスでは、制御された熱が適用されます。まず、熱で水分を除去します。急速な加熱はひび割れや表面欠陥の原因となるため、このステップでは慎重な制御が必要です。乾燥した部分は未処理の部分よりも小さく、もろいため、小さな衝撃でも崩れたり壊れたりするため、慎重に取り扱う必要があります。
• 焼結とは、乾燥した部品を制御された加熱プロセスに通すことで、酸化物が化学的に変化し、結合と緻密化が起こります。焼成された部品は、乾燥した部品よりも小さくなります。

セラミック成形技術には、スロー成形、スリップキャスト、テープキャスティング、フリーズキャスティング、射出成形、ドライプレス、アイソスタティックプレス、ホットアイソスタティックプレス（HIP）、3Dプリントなどがある。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る。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ある。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、そのほとんどは焼成時に除去される。^{[11]マータイトなどの}セラミック充填エポキシは、ロケットの排気ガスが衝突する条件下で構造用鋼を保護するために使用されることがある。^[17]

これらの成形技術は、工具やその他の部品に寸法安定性、表面品質、高い（理論値に近い）密度、微細構造の均一性を与えることでよく知られています。セラミックスの特殊形状の使用と多様化の増加により、使用されるプロセス技術の多様性が増しています。^[11]

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、溶融プロセスも適用可能です。最も広く使用されている特殊な形態は層状構造であり、電子基板やパッケージ用のテープキャスティングが卓越しています。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正確なパターン形成にますます関心が高まっています。テープキャスティングまたは成形プロセスは、燃料電池などのオープン構造からセラミック複合材に至るまで、他の用途でもますます関心が高まっています。^[11]

もう一つの主要な層構造はコーティングであり、ここでは溶射が非常に重要ですが、化学的および物理的蒸着法や化学的（例えば、ゾルゲル法やポリマー熱分解法）法もすべて使用が増加しています。成形テープからのオープン構造に加えて、ハニカム触媒支持体などの押し出し構造や、網状フォームなどのさまざまなフォームを含む高多孔質構造の使用が増加しています。^[11]

圧粉体の緻密化は、主に（無加圧）焼結によって達成され続けています。しかし、特に非酸化物や、より高い品質（主に微細構造の均質性）が求められる単純な形状の部品では、ホットプレスによる加圧焼結の使用が増加しており、1回のプレスでより大きなサイズや複数の部品を製造できることが有利になる場合があります。^[11]

焼結法の原理は単純です (「焼結」は英語の「cinder」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」と呼ばれる大まかにまとめられた物体が作られると、窯で焼かれ、原子および分子の拡散プロセスによって主要な微細構造特性に大きな変化が生じます。これには、気孔の段階的な除去が含まれますが、これは通常、正味の収縮とコンポーネント全体の緻密化を伴います。したがって、物体の気孔が閉じ、強度と破壊靭性が大幅に向上した、より密度の高い製品になります。

焼成または焼結プロセス中の物体のもう一つの大きな変化は、固体の多結晶性の確立です。焼結中には顕著な粒成長が起こる傾向があり、この成長は焼結プロセスの温度と期間に依存します。粒の成長により、何らかの形の粒度分布が生じ、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、特定の粒がより細かい粒子のマトリックス内で非常に大きく成長する異常な粒成長は、得られたセラミックの物理的および機械的特性を大きく変えます。焼結体では、粒度は熱処理パラメータと初期粒子サイズ、または処理の初期段階で発生する凝集体または粒子クラスターのサイズによって決まります。

最終製品の最終的な微細構造（したがって物理的特性）は、化学合成および物理的形成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、影響を受けます。したがって、工業用セラミック、ガラス、ガラスセラミックの合成に関連する 化学粉末およびポリマー 処理が重要です。

焼結工程には、数多くの改良方法があります。最も一般的な方法のいくつかは、焼結体をプレスして緻密化を早め、必要な焼結時間を短縮することです。ポリビニルアルコールなどの有機バインダーを追加して焼結体をまとめることもありますが、これらは焼成中（200～350℃）に燃え尽きます。また、プレス中に有機潤滑剤を追加して緻密化を高めることもあります。これらを組み合わせて、バインダーと潤滑剤を粉末に加えてからプレスするのが一般的です。（これらの有機化学添加物の配合は、それ自体が芸術です。これは、電子機器、コンデンサ、インダクタ、センサーなどに何十億も使用されている高性能セラミックの製造では特に重要です。）

粉末の代わりにスラリーを使用して、希望の形状に鋳造し、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、手で加工したプラスチック混合物を使用する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が一緒に使用される場合、焼結温度は、1つのマイナー成分の融点を超えることがあります（液相焼結）。これにより、固体状態焼結と比較して焼結時間が短くなります。^{[18]このような液相焼結では、拡散プロセスが速くなり、}異常な粒成長が発生する可能性があります。

材料の強度は、その微細構造に依存します。材料に適用される工学プロセスによって、その微細構造が変化することがあります。材料の強度を変えるさまざまな強化メカニズムには、粒界強化のメカニズムが含まれます。したがって、降伏強度は粒径が減少するほど最大になりますが、最終的には、粒径が非常に小さいと材料が脆くなります。降伏強度が材料の塑性変形を予測するパラメーター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情報に基づいた決定を下すことができます。

降伏応力と粒径の関係は、数学的にはホール・ペッチ方程式によって記述される。

${\displaystyle \sigma _{y}=\sigma _{0}+{k_{y} \over {\sqrt {d}}}}$

ここで、k _yは強化係数（各材料に固有の定数）、σ _oは転位運動の開始応力（または転位運動に対する格子の抵抗）の材料定数、dは粒径、σ _{y は}降伏応力です。

理論的には、粒子を無限に小さくすれば、材料を無限に強くすることができます。しかし、残念ながら、これは不可能です。なぜなら、粒子サイズの下限は材料の単一の単位格子だからです。それでも、材料の粒子が単一の単位格子のサイズであれば、長距離秩序がなく、非晶質材料では転位を定義できないため、材料は実際には結晶ではなく非晶質です。実験的に、降伏強度が最も高い微細構造は約 10 ナノメートルの粒子サイズであることが観察されています。これは、これより小さい粒子では別の降伏メカニズムである粒界滑りが発生するためです。^{[19]この理想的な粒子サイズのエンジニアリング材料を製造することは、}ナノ材料と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困難です。

キャサリン・フェイバーとアンソニー・G・エヴァンスによって開発されたフェイバー・エヴァンス・モデルは、マトリックス内で微小亀裂が生じやすい第2相粒子の周囲の亀裂の偏向によるセラミックスの破壊靭性の増加を予測するために開発されました。^[20]このモデルは、第2相の粒子の形態、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場合の亀裂先端の局所応力強度の減少を考慮しています。実際の亀裂の曲がり具合は画像化技術によって得られ、これにより、偏向角度と湾曲角度をモデルに直接入力できます。

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く平坦な亀裂の増加と比較します。強化の程度は、熱収縮の不適合性によって引き起こされる不一致ひずみと、粒子/マトリックス界面の微小破壊抵抗によって決まります。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、ほぼ等軸の粒子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倍に増加する可能性があることを認めています。^[21]

モデルによれば、靭性の増加は粒子の形状と第 2 相の体積率に依存し、最も効果的な形態は高アスペクト比のロッドであり、破壊靭性が 4 倍に増加する可能性があることが示されています。この強化は、たわみプロファイルで示されるように、主に粒子間の亀裂前面のねじれから生じます。円盤状の粒子と球体は強化にあまり効果がありません。破壊靭性は、形態に関係なく、亀裂前面の初期の傾斜ではなく、最も厳しい構成での亀裂前面のねじれによって決まります。円盤状の粒子の場合のみ、亀裂前面の初期の傾斜が大幅な強化をもたらしますが、それでもねじれ成分は傾斜由来の強化を上回ります。^[22]

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 つの形態で漸近的な強化が見られることが挙げられます。また、球状粒子による強化には粒子間の間隔分布が大きな影響を与えることも指摘されています。球状粒子がほぼ接触してねじれ角が π/2 に近づくと、より大きな強化が得られます。これらの予測は、高靭性の 2 相セラミック材料の設計の基礎となります。

理想的な第2相は、化学的適合性を維持することに加え、10～20体積パーセントの量で存在する必要があります。量が多いと、粒子の重なりによる靭性の向上が減少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、最大の靭性化に最適です。このモデルは、セラミックの破壊靭性の向上に寄与する要因を特定するためによく使用され、最終的には、性能が向上した高度なセラミック材料の開発に役立ちます。^{[23] [24]}

ファインセラミックスの加工においては、典型的な粉末の粒子サイズや形状が不均一なため、充填形態が不均一になり、粉末成形体の充填密度にばらつきが生じることが多い。また、ファンデルワールス力による粉末の制御不能な凝集によっても、微細構造の不均一性が生じる可能性がある。^{[11] [25]}

不均一な乾燥収縮の結果として生じる差応力は、溶媒を除去する速度に直接関係しており、したがって多孔度の分布に大きく依存します。このような応力は、固化体の塑性から脆性への遷移と関連しており、^{[26]緩和されない場合、未焼成体の}亀裂伝播 を引き起こす可能性があります。

さらに、窯に投入される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、不均一な緻密化をもたらします。^{[27] [28]}密度の変動に関連する いくつかの気孔やその他の構造欠陥は、焼結プロセスにおいて成長して最終密度を制限することで有害な役割を果たすことが示されています。^[29] 不均一な緻密化から生じる差応力も、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が示されています。^[30]

したがって、グリーン密度を最大化する粒度分布を使用するのではなく、成分の分布と多孔性に関して物理的に均一になるように材料を処理することが望ましいと思われます。懸濁液中に強く相互作用する粒子の均一に分散した集合体を封じ込めるには、粒子間相互作用を完全に制御する必要があります。単分散 コロイドは、この可能性を提供します。^[31]

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の高度な秩序を保証するのに十分なほど安定化される可能性がある。秩序の程度は、より長距離の相関関係を確立するために許容される時間と空間によって制限されると思われる。^{[32] [33]}

このような欠陥のある多結晶コロイド構造は、サブミクロン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システムの微細構造の進化に関与するメカニズムをより厳密に理解するための第一歩となります。

自己組織化は、現代の科学界で最も一般的に使用されている用語であり、外部からの力の影響を受けずに粒子（原子、分子、コロイド、ミセルなど）が自発的に凝集する現象を指します。このような粒子の大きな集団は、熱力学的に安定した、構造的に明確な配列に自らを組み立てることが知られています。これは、冶金学や鉱物学で見られる7 つの結晶系（面心立方、体心立方など）の 1 つを彷彿とさせます。^[要出典] 平衡構造の基本的な違いは、それぞれのケースにおける単位格子（または格子定数）の空間スケールにあります。

このように、自己組織化は化学合成とナノテクノロジーにおける新しい戦略として浮上しています。分子の自己組織化はさまざまな生物系で観察されており、多種多様な複雑な生物構造の形成の基礎となっています。分子結晶、液晶、コロイド、ミセル、エマルジョン、相分離ポリマー、薄膜、自己組織化単分子膜はすべて、これらの技術を使用して得られる高度に秩序化された構造の例です。これらの方法の特徴は、外部からの力がまったくない状態で自己組織化することです。^[要出典]

さらに、バイオセラミックス、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、バイオインスパイアされた材料と構造に重点を置いて再評価されています。従来のアプローチは、従来の合成材料を使用した生物学的材料の設計方法に重点を置いています。これには、自然界に見られる微細構造の特徴と設計に基づく、機械的に優れたバイオマテリアルの新興クラスが含まれます。自然界の生物系に特徴的なプロセスを通じてバイオインスパイアされた材料を合成することで、新たな地平が見出されています。これには、コンポーネントのナノスケールの自己組織化と階層構造の開発が含まれます。^{[32] [33] [35]}

近年、セラミック複合材料の製造に大きな関心が集まっています。1 つ以上の非セラミック成分を含む複合材料にもかなりの関心が寄せられていますが、最も注目されているのは、すべての成分がセラミックである複合材料です。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、または短い（細断された）または連続したセラミック繊維の分散相という 2 つのセラミック成分で構成されています。湿式化学処理の場合と同様に、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。^{[36] [37]}

まず、粒子複合材の加工について考えてみましょう。最も興味深い粒子相は、準安定正方晶から単斜晶への相転移、いわゆる転移強化によって強化できるため、正方晶ジルコニアです。また、SiC、TiB、TiC、ホウ素、炭素、特にアルミナやムライトなどの酸化物マトリックスなどの硬い非酸化物相の分散にも大きな関心が寄せられています。他のセラミック粒子、特に熱膨張の異方性が高い粒子を組み込むことにも関心が寄せられています。例としては、Al ₂ O ₃、TiO ₂、グラファイト、窒化ホウ素などがあります。 ^{[36] [37]}

粒子複合材の加工においては、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、マトリックス粒子サイズの制御も課題となる。しかし、分散相によるマトリックス粒子の成長抑制により、ある程度の自己制御が組み込まれている。粒子複合材は、一般的に損傷や破損、またはその両方に対する耐性が高まっているものの、それでも組成の不均一性や気孔などの加工欠陥に対して非常に敏感である。したがって、効果的に加工するには適切な加工が必要である。^{[1] [5]}

粒子状複合材料は、2つの成分の粉末を単に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応できるものである。しかし、他のアプローチも興味深い。^{[1] [5]}

技術的な観点から、粒子状複合材料を製造するための特に望ましい方法は、出発分散粒子サイズと結果として得られるマトリックスコーティングの厚さをうまく制御しながら、マトリックスまたはその前駆体を分散相の微粒子にコーティングすることです。原理的には、分布の究極の均一性を達成し、それによって複合材料の性能を最適化できるはずです。これには、熱伝導率を制限するなどの他の要因で望まれる可能性のある多孔性を持つ物体で、より有用な複合材料の性能を達成できるようにするなど、他の影響もあります。

セラミック、微粒子、ウィスカー、短繊維、連続繊維複合材料の製造に溶融加工を利用する機会もいくつかあります。明らかに、微粒子複合材料とウィスカー複合材料は、溶融物の凝固後に固体沈殿によって製造できます。これは、沈殿強化された部分安定化ジルコニアの場合のように、焼結によって得られる場合もあります。同様に、セラミック共晶混合物を方向性凝固させて一軸配向繊維複合材料を得ることができることが知られています。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、そのため、加工コストが高いために深刻な経済的問題を抱えています。^{[36] [37]}

明らかに、これらのアプローチの多くに溶融鋳造を使用する可能性があります。さらに望ましいのは、溶融物由来の粒子を使用することです。この方法では、固溶体または微細共晶構造で急冷が行われ、その後、粒子はより一般的なセラミック粉末処理方法によって有用な物体に処理されます。また、分散粒子、ウィスカー、または繊維相を溶融噴霧プロセスと組み合わせて導入することにより、複合材料を形成する手段として溶融噴霧を使用する予備的な試みもありました。

長繊維強化セラミック複合材を製造するための溶融浸透法以外の方法としては、化学蒸気浸透法と、繊維プリフォームへの有機前駆体の浸透法があり、熱分解後に、最初は密度の低い非晶質セラミックマトリックスが生成されます。浸透と熱分解のサイクルを繰り返すことで、これらのタイプのセラミックマトリックス複合材が生成されます。化学蒸気浸透法は、炭素繊維または炭化ケイ素繊維で強化された炭素/炭素および炭化ケイ素の製造に使用されます。

多くのプロセス改善に加えて、繊維複合材に対する2つの主要なニーズのうちの1つ目は、繊維コストの削減です。2つ目の主要なニーズは、酸化条件下での高温複合材への曝露による劣化を軽減するための繊維組成やコーティング、または複合材処理です。^{[36] [37]}

テクニカル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​​バーナーのノズル、防弾、核燃料のウラン酸化物ペレット、バイオメディカルインプラント、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ります。

同社の製品は、多くの場合、特定の物理的特性に基づいて粘土以外の材料から作られており、次のように分類できます。

• 酸化物：シリカ、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: 粒子またはウィスカーで強化されたマトリックス、酸化物と非酸化物の組み合わせ (例: ポリマー)。

セラミックスは多くの技術産業で使用できます。用途の 1 つはNASAのスペース シャトルのセラミック タイルで、スペース シャトルと将来の超音速宇宙飛行機を大気圏への再突入時の灼熱から保護するために使用されます。また、セラミックスはエレクトロニクスや光学にも広く使用されています。ここで挙げた用途に加えて、セラミックスはさまざまなエンジニアリング ケースでコーティングとしても使用されます。たとえば、航空機に使用されるチタン フレームにセラミック ベアリング コーティングを施すのが挙げられます。最近では、従来の多結晶材料に加えて単結晶やガラス繊維の研究もこの分野に含まれるようになり、これらの用途は重複し、急速に変化しています。

• エンジン: 高温で稼働している航空機エンジンが他の部品に損傷を与えないように保護します。
• 機体: 高応力、高温、軽量のベアリングおよび構造部品として使用されます。
• ミサイルのノーズコーン: ミサイル内部を熱から保護します。
• スペースシャトルタイル
• 宇宙デブリ 防弾シールド：セラミック繊維織りシールドは、同等の重さのアルミニウムシールドよりも超高速（約7km/s）粒子に対して優れた保護を提供します。^[38]
• ロケットノズル：ロケットブースターからの高温の排気ガスを集中させます。
• 無人航空機：航空用途（無人航空機など）におけるセラミックエンジンの利用は、性能特性の向上と運用コストの削減につながる可能性がある。^[39]

• 人工骨、歯科用途、歯。
• 生分解性副木; 骨粗しょう症からの回復中の骨の強化
• インプラント材料

• コンデンサ
• 集積回路パッケージ
• トランスデューサー
• 絶縁体

• 光ファイバー、導光波伝送
• スイッチ
• レーザー 増幅器
• レンズ
• 赤外線熱探知装置

• ヒートシールド
• 排気熱管理

珪化は生物界では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）で発生します。このような環境で形成された結晶鉱物は、多くの場合、並外れた物理的特性（強度、硬度、破壊靭性など）を示し、さまざまな長さまたは空間スケールにわたって微細構造秩序を示す階層構造を形成する傾向があります。鉱物は、シリコンに関して不飽和の環境、および中性 pH および低温（0～40 °C）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発生する可能性があり、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。

天然（または生物）材料のほとんどは複雑な複合材料であり、その機械的特性は、その構成成分の弱さを考慮すると、しばしば傑出している。数億年にわたる進化から生まれたこれらの複雑な構造は、悪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刺激を与えている。階層性、多機能性、自己修復能力などの定義的な特性は現在研究されている。^[41]

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、ほとんどのバイオミネラルに共通する「軟組織」の主成分である基本タンパク質を構成します。1,000 種類をはるかに超えるタンパク質が考えられますが、現在の研究ではコラーゲン、キチン、ケラチン、エラスチンの使用に重点が置かれています。「硬質」相は、多くの場合、結晶鉱物によって強化されます。結晶鉱物は、個々の結晶のサイズ、形状、分布を決定する生物媒介環境で核形成および成長します。最も重要な鉱物相は、ハイドロキシアパタイト、シリカ、アラゴナイトであると特定されています。Wegst と Ashby の分類を使用して、生物学的セラミックス、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示されています。各クラスで選択されたシステムは、さまざまな長さスケールでの微細構造と機械的応答の関係に重点を置いて調査されています。

したがって、自然界における無機物質の結晶化は、一般的に常温常圧で起こります。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ことができます。シリカなどの結晶鉱物の成長を生命体が制御するプロセスを理解することは、材料科学の分野に大きな進歩をもたらし、ナノスケールの複合材料、つまりナノコンポジットの新しい合成技術への扉を開く可能性があります。

アワビの貝殻の真珠層部分の微細構造を高解像度走査型電子顕微鏡（SEM）で観察した。これらの貝殻は、知られている非金属物質の中で最も高い機械的強度と破壊靭性を示す。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つとなっている。これらの画像では、薄い有機シートで区切られたきちんと積み重ねられた（または整然とした）鉱物タイルと、科学者が現在階層的複合構造と呼んでいるものを総合的に形成する、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る。（階層という用語は、単に、さまざまな長さスケールにわたってさまざまな構造的特徴が存在することを意味する）。^[42]

今後の発展は、生物系に特徴的な処理方法と戦略による生物にヒントを得た材料の合成にあります。これには、コンポーネントのナノスケールの自己組織化と階層構造の開発が含まれます。^{[32] [33] [35] [43]}

• アメリカ陶芸協会
• アメリカセラミックタイル協会