無機材料（金属・セラミックス） 構造材料（セラミックス、エンジニアリング・ポリマー）

(※本記事は2004年に発行された弊社「Materials Scienceカタログ（英語版）¹⁰」に掲載されたものです。)

構造材料とは、耐熱、耐腐食性や高強度、耐環境性などの性質を持つ、金属や合金からセラミックスまでの無機材料をはじめ、各種ポリマーまでの広範囲の化合物を含んでいます。

セラミックス

セラミックスは非金属の無機材料で、通常は粉状であり焼結してさまざまな形状にして利用されます。セラミックスは、アモルファスから多結晶、単結晶まで広範な構造を持ち、一般に非常に硬い反面、脆いために、機械的な応力を加えると壊れやすい傾向を持ちます。セラミックスは非金属であるので、通常は非導体かバンドギャップの広い半導体ですが、ドーパントを添加してバンドギャップを狭めることで半導体にすることも可能です。また多くの場合、セラミックスは高温で特筆すべき熱安定性を示します。

例えば、炭化ケイ素（SiC）は優れた高温特性を持っていますが、機械的に脆弱であるために、構造材料としての利用には限界があります。板状のSiCにミクロン厚のアルミナ（Al₂O₃）を塗布すると、従来のSiCセラミックスの2～3倍強い複合材料が得られます。その結果、高温構造に適合するストレス耐性と酸化耐性を持つ材料になります¹。炭化ケイ素は、他の構造材料の特性改善にも用いられます。たとえば、SiCの単繊維を分散させたチタン複合材料は、航空機の部材に使用される堅くて強い熱安定性を持つ構造材料になります²。

アルミナは、その化学的、電気的、機械的、および熱的特性によって、一般的によく利用される多用途の構造セラミックスの一つです。ただし、破砕耐性は弱く、イットリアで安定化したジルコニアをアルミナに加えると、Al₂O₃の破砕強度が大幅に向上します³。

エンジニアリング・ポリマー

エンジニアリング・ポリマーは、非常に優れた剛性、靭性、低クリープ性といった機械特性を持つ材料のため、ギア、ベアリング、電子装置、自動車部品などの構造製品の製造に役立っています^4-6。代表的なエンジニアリング・プラスチックには、アセタール、ポリアミド、ポリ（アミドイミド）、ポリアリール酸、ポリ（エーテルエーテルケトン）、ポリ（エーテルイミド）、ポリ（酸化フェニレン）、ポリ（硫化フェニレン）、ポリスルホンなどがあります⁷。

ポリアミドは結晶質で、衝撃強度、靭性、および摩耗耐性に優れています。ポリエステルは多くの場合、強度と靭性を向上させるために、繊維ガラス、雲母、無機物といった充填剤と共に用いられます。スルホンを含むポリマーは酸やアルカリに強い耐性を示します。これらの熱的に安定なポリマーは、電子コネクター、回路基板、滅菌商品、および電化製品のカバーとして用いられます⁸。ポリイミドは極めて優れた熱特性を持ち、その上、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、およびゴムにはエンジニアリング・ポリマーとしての重要なアプリケーションがあります⁹。

References

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