セラミック素材の脆さにどう対処するか？

周知のように、セラミック材料には脆さという致命的な共通欠陥があります。セラミック材料の脆性は、化学結合と微細構造によって決定され、セラミック材料固有の特性です。以下の段落では、セラミック材料のもろさについて、またそれを改善する方法について説明します。

なぜセラミックスは脆いのか？

セラミック材料はイオン結合または共有結合からなる多結晶構造であるため、材料を変形させる滑り系がありません。そのため、材料を変形させるような滑り系がないのです。セラミックを作る過程で、材料の表面に微小な欠陥が残ることは避けられず、それがクラックの原因となることがあります。材料に外部負荷がかかると、応力はこのクラックの先端に集中する。セラミック材料では、外部エネルギーを消費する他のシステムがない場合、新しい自由エネルギーだけが交換されます。いわゆる新しい自由エネルギーとは、クラック先端の伝播によって形成される新しい表面に吸収されるエネルギーのことで、その結果、クラックが急速に伝播し、いわゆる脆性破壊が発生します。

セラミックスの脆性を改善するには？

セラミック材料の脆性は、材料特性の信頼性と一貫性に大きく影響します。したがって、セラミック材料の脆性を研究し、それを改善する効果的な方法を提案することは、多くのセラミック研究者の重要な仕事です。以下では、簡単なデータの照合を行います。

1.セラミック材料における弱い界面システムの確立

セラミック材料には外部エネルギーを吸収する機構がないため、セラミック材料に何らかの弱い界面構造を人工的に作り出し、材料全体を損傷させることなく、クラックの進展がその解離によって外部エネルギーを吸収できるようにすることはできないだろうか。長年の実践の結果、実現可能な解決策は数多くあります。

* D強化セラミック基複合材料

繊維（またはウィスカー）は、ある方法でセラミックマトリックスに添加されます。一方では、高強度繊維（ウィスカー）が追加荷重を分担することができ、他方では、繊維（またはウィスカー）とセラミックマトリックスとの間の弱い界面を利用して外部エネルギーの吸収システムを構築し、セラミック材料の脆性を改善することができます。

例えば、セラミックマトリックス複合材料は、リープ、エンジンタービンハウジングライニングに導入されたCMCコンポーネントに適用することができます。この改良型エンジンは、ニッケル基超合金よりも冷却用空気が大幅に少なくて済み、比重も低いため、従来のエンジンで使用されていた燃料の約15％を節約できる。

* 複合セラミック材料

種類の異なる材料を組み合わせた場合、熱膨張係数や弾性率が異なるため、2つの材料の間に応力が発生するはずであり、粒界面の応力が弱い界面の主な原因となる。ナノミクロン結晶内再結合と呼ばれるように、ある物質のナノサイズの粒が別の物質のミクロンサイズの粒の中に存在すると、その強度と靭性が驚くほど向上することが多くの研究で示されている。

例えば、アルミナのマトリックスにナノ炭化ケイ素（5％）と四酸化ジルコニウム（15％）を添加すると、1200MPaの強度が得られることが研究で示されている（通常のアルミナセラミック材料の強度は約300Maに過ぎない）。

* 自己強化セラミック材料

前述したように、繊維やウィスカーをセラミックスのマトリックスに添加することで、強化や強靭化を図る。しかし、アスペクト比の大きい粒状のセラミック・マトリックスに繊維やウィスカーを均一に分布させることは難しく、その結果、複合材料の特性が分散してしまいます。そこで、セラミックスのマトリックス中に一定のアスペクト比を持つ形状を形成することができれば、繊維やウィスカーでセラミックスを補強したのと同様の効果を得ることができると考えられている。

そこで、セラミックス体の一部に特殊な加工を施すことで、それ自体に一定のアスペクト比を持たせることができる。例えば、アルミナセラミックスの焼結工程で液相を少量添加することで、アルミナ結晶粒の異方性成長を誘導することができ、アルミナマトリックス中にアスペクト比の大きな棒状結晶を多数形成することで、アルミナセラミックス材料の強度と靭性を大幅に向上させることができる。

* 積層複合材料

積層複合材料のアイデアは、自然界に存在するコンク微細構造から提唱されたものです。つまり、成分の異なる2つの材料をサンドイッチ状に積層し、平行な界面を持つ多層積層複合材料を形成します。サンプル設計の材料構造には、応力方向に垂直な弱い界面が多数存在する。これらの弱い界面は、主要な亀裂伝播経路を歪ませる主な原因であり、材料の靭性を向上させる重要な要因でもある。同時に、層の両側で材料が異なるため、両者の弾性率や熱膨張係数の違いにより残留応力が発生するはずであり、この残留応力がある限度内にあることが、補強や靭性向上の主な理由となる。

2.ジルコニア強化セラミック材料

セラミック鋼のアイデアが提唱されて以来、ジルコニア強化セラミック材料の研究が盛んになっている。ジルコニア化合物には、高温で立方晶、中温で正方晶、常温で単斜晶の3つの結晶型がある。しかし、中温型の正方晶ジルコニアは、室温では外部応力の抑制により安定した状態を保つことができる。ひとたび外力を受けると、拘束された中温安定正方晶ジルコニアは相転移を起こす。相転移の過程で、ある種のエネルギーが吸収され、それが外部エネルギーの消費に一役買っていることは間違いない。同時に、相転移の過程で3％～5％の体積変化が起こる。その結果、クラック先端周辺に微小なクラックが発生し、材料の靭性が向上する。

したがって、ジルコニアの相転移は、材料の強度と靭性の向上を促進する。ジルコニアのこの特性により、ジルコニアはセラミック材料の強化および靭性向上に非常に効果的な添加剤となり、一連のジルコニア強化セラミックが形成される。正方晶ジルコニア多結晶（TZP）は、最も重要なジルコニア強化セラミック材料の一つであり、室温で最高の機械的特性を持つと考えられている。

3.機能的に傾斜した材料

セラミックコーティングのプロセスでは、厚いコーティングを得るため、あるいは金属マトリックスとセラミックコーティングの間の熱的および機械的特性の大きな違いのために、良好な性能と高い接合強度を有するセラミックコーティングを得るために、コーティング組成の勾配変化がしばしば必要とされる。

4.ナノセラミック材料

微細構造の観点からは、粒径と材料特性の間には直接的な関係がある。セラミック材料の粒径がナノレベルに達すると、セラミック材料の性能は明らかに優れたものになります。例えば、部分安定化ジルコニアセラミックスは、3%(mol)の酸化イットリウムとジルコニアの固溶体粉末を常圧焼結したもので、酸化ガドリニウムがジルコニア中に平均粒径0.3μmの微細な結晶となって分散している。このジルコニアセラミックスは、1200℃以上に加熱すると、一定の延伸率（12％）で延伸する。