JPH05339045A - 非線形セラミックス - Google Patents
非線形セラミックスInfo
- Publication number
- JPH05339045A JPH05339045A JP4171866A JP17186692A JPH05339045A JP H05339045 A JPH05339045 A JP H05339045A JP 4171866 A JP4171866 A JP 4171866A JP 17186692 A JP17186692 A JP 17186692A JP H05339045 A JPH05339045 A JP H05339045A
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- JP
- Japan
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- ceramics
- powder
- stress
- ceramic
- linear
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- Pending
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- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 セラミックスの機械的強度、耐摩耗性、化学
的安定性等の優れた特性を維持したまま、塑性変形能を
付与することにより、エンジン部品等の構造材料として
高い信頼性を有するセラミックス材料を提供する。 【構成】 高強度セラミックス結晶粒子の粒界に酸化ア
ルミニウムと酸化イットリウムが偏析しており、応力−
歪線図が直線状にならず、加えられる応力が３００ＭＰ
ａを越える範囲で塑性変形するか若しくはヤング率が大
幅に減少する領域をもつ非線形セラミックス。
的安定性等の優れた特性を維持したまま、塑性変形能を
付与することにより、エンジン部品等の構造材料として
高い信頼性を有するセラミックス材料を提供する。 【構成】 高強度セラミックス結晶粒子の粒界に酸化ア
ルミニウムと酸化イットリウムが偏析しており、応力−
歪線図が直線状にならず、加えられる応力が３００ＭＰ
ａを越える範囲で塑性変形するか若しくはヤング率が大
幅に減少する領域をもつ非線形セラミックス。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、高強度のセラミック
ス、特に構造材料として有用な塑性変形性をもった新規
なセラミックスに関する。
ス、特に構造材料として有用な塑性変形性をもった新規
なセラミックスに関する。
【０００２】
【従来の技術】セラミックス材料は、機械的強度が高
く、化学的安定性や耐摩耗性等に優れ、低比重である等
の優れた特性を有するため、切削工具から半導体素子搭
載用基板まで多種多様な用途に用いられている。
く、化学的安定性や耐摩耗性等に優れ、低比重である等
の優れた特性を有するため、切削工具から半導体素子搭
載用基板まで多種多様な用途に用いられている。
【０００３】中でも用途が広く、焼結体として多量に製
造されているセラミックス材料は、酸化物系セラミック
スでは酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）及び酸化ジルコニ
ウム（ＺｒＯ2）、窒化物系セラミックスでは窒化ケイ
素（Ｓｉ3Ｎ4）、窒化ホウ素（ＢＮ）及び窒化アルミニ
ウム（ＡｌＮ）、炭化物系セラミックスでは炭化ホウ素
（Ｂ4Ｃ）及び炭化ケイ素（ＳｉＣ）、等である。
造されているセラミックス材料は、酸化物系セラミック
スでは酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）及び酸化ジルコニ
ウム（ＺｒＯ2）、窒化物系セラミックスでは窒化ケイ
素（Ｓｉ3Ｎ4）、窒化ホウ素（ＢＮ）及び窒化アルミニ
ウム（ＡｌＮ）、炭化物系セラミックスでは炭化ホウ素
（Ｂ4Ｃ）及び炭化ケイ素（ＳｉＣ）、等である。
【０００４】最近では、これらのセラミックス材料を各
種エンジン部品に応用する研究が進められているが、こ
れら高温構造部材として用いる場合における最大の問題
は、セラミックス材料の脆さをいかに改善克服するかに
ある。そのため、セラミックス材料の強度並びに靭性を
向上させる試みが数多くなされ、「ニューセラミック
ス」１９８９年、Ｎｏ．５、６５〜７０頁に示されるご
とく、ウイスカーや長繊維等との複合化や組成制御によ
る強靭化や高強度化が提案されている。
種エンジン部品に応用する研究が進められているが、こ
れら高温構造部材として用いる場合における最大の問題
は、セラミックス材料の脆さをいかに改善克服するかに
ある。そのため、セラミックス材料の強度並びに靭性を
向上させる試みが数多くなされ、「ニューセラミック
ス」１９８９年、Ｎｏ．５、６５〜７０頁に示されるご
とく、ウイスカーや長繊維等との複合化や組成制御によ
る強靭化や高強度化が提案されている。
【０００５】しかしながら、これら従来の試みでは、い
ずれもセラミックスの曲げ強度の向上ないし破壊靭性値
の向上が得られるのみであり、塑性変形しないために脆
いと言うセラミックスの欠点を克服することが出来ず、
信頼性確保の点ではなお十分ではなかった。又、１２０
０℃以上の高温ではセラミックスに塑性変形能を与える
ことが可能であるが、使用温度が制限されるので、温度
に拘らず塑性変形能を有する高靭性且つ高強度のセラミ
ックス材料の提供が望まれていた。
ずれもセラミックスの曲げ強度の向上ないし破壊靭性値
の向上が得られるのみであり、塑性変形しないために脆
いと言うセラミックスの欠点を克服することが出来ず、
信頼性確保の点ではなお十分ではなかった。又、１２０
０℃以上の高温ではセラミックスに塑性変形能を与える
ことが可能であるが、使用温度が制限されるので、温度
に拘らず塑性変形能を有する高靭性且つ高強度のセラミ
ックス材料の提供が望まれていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明はかかる従来の
事情に鑑み、セラミックスの機械的強度、耐摩耗性、化
学的安定性等の優れた特性を維持したまま、塑性変形能
を付与することにより、エンジン部品等の構造材料とし
て高い信頼性を有するセラミックス材料を提供すること
を目的とする。
事情に鑑み、セラミックスの機械的強度、耐摩耗性、化
学的安定性等の優れた特性を維持したまま、塑性変形能
を付与することにより、エンジン部品等の構造材料とし
て高い信頼性を有するセラミックス材料を提供すること
を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明において提供するセラミックス材料は、応力
−歪線図が直線状にならず、加えられる応力が３００Ｍ
Ｐａを越える範囲で塑性変形するか若しくはヤング率が
大幅に減少する領域をもつことを特徴とする非線形セラ
ミックスである。
め、本発明において提供するセラミックス材料は、応力
−歪線図が直線状にならず、加えられる応力が３００Ｍ
Ｐａを越える範囲で塑性変形するか若しくはヤング率が
大幅に減少する領域をもつことを特徴とする非線形セラ
ミックスである。
【０００８】かかる本発明の非線形セラミックスは、構
造的には、高強度のセラミックス結晶粒子と、その結晶
粒子間に偏析した酸化アルミニウムと酸化イットリウム
を含む粒界相とからなることが判っている。
造的には、高強度のセラミックス結晶粒子と、その結晶
粒子間に偏析した酸化アルミニウムと酸化イットリウム
を含む粒界相とからなることが判っている。
【０００９】尚、本発明の非線形セラミックスの製造
は、高強度セラミックスの粉末に酸化アルミニウム粉末
と酸化イットリウム粉末を共に添加混合する以外は、通
常の粉末冶金法に従った方法によることが出来る。
は、高強度セラミックスの粉末に酸化アルミニウム粉末
と酸化イットリウム粉末を共に添加混合する以外は、通
常の粉末冶金法に従った方法によることが出来る。
【００１０】
【作用】本発明の非線形セラミックスは、３点曲げ強度
で３００ＭＰａ以上の強度をもつことが必要であり、塑
性変形若しくはヤング率の減少はそれ以上の応力で発現
する。即ち、３００ＭＰａを越える降伏点とみられる応
力までは通常の微小な弾性変形のみを示し、それを越え
る応力で塑性変形若しくはヤング率の大幅な減少を示す
のであるが、セラミックスが低強度であれば降伏点に至
るまでに破壊されてしまう。
で３００ＭＰａ以上の強度をもつことが必要であり、塑
性変形若しくはヤング率の減少はそれ以上の応力で発現
する。即ち、３００ＭＰａを越える降伏点とみられる応
力までは通常の微小な弾性変形のみを示し、それを越え
る応力で塑性変形若しくはヤング率の大幅な減少を示す
のであるが、セラミックスが低強度であれば降伏点に至
るまでに破壊されてしまう。
【００１１】かかる塑性変形領域若しくはヤング率の大
幅な減少領域が発現する理由は不明であるが、セラミッ
クス粒子の粒界に酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）と酸化
イットリウム（Ｙ2Ｏ3）が偏析していることが判ってお
り、この粒界相による粒界エネルギーの変化あるいは粒
界相の結晶変態が作用していると考えられる。特に酸化
ジルコニウム（ＺｒＯ2）は正方晶から単斜晶への応力
誘起変態を行うので、その相変態との相互作用により一
層大きな塑性変形若しくはヤング率の減少が現れる。
幅な減少領域が発現する理由は不明であるが、セラミッ
クス粒子の粒界に酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）と酸化
イットリウム（Ｙ2Ｏ3）が偏析していることが判ってお
り、この粒界相による粒界エネルギーの変化あるいは粒
界相の結晶変態が作用していると考えられる。特に酸化
ジルコニウム（ＺｒＯ2）は正方晶から単斜晶への応力
誘起変態を行うので、その相変態との相互作用により一
層大きな塑性変形若しくはヤング率の減少が現れる。
【００１２】非線形セラミックスのマトリックスとなる
セラミックスは高強度のものであれば良く、例えば、上
記酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）のほか、窒化ケイ素
（Ｓｉ3Ｎ4）、サイアロン（ＳｉＡｌＯＮ）、窒化ホウ
素（ＢＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化ホウ素
（Ｂ4Ｃ）及び炭化ケイ素（ＳｉＣ）等がある。
セラミックスは高強度のものであれば良く、例えば、上
記酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）のほか、窒化ケイ素
（Ｓｉ3Ｎ4）、サイアロン（ＳｉＡｌＯＮ）、窒化ホウ
素（ＢＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化ホウ素
（Ｂ4Ｃ）及び炭化ケイ素（ＳｉＣ）等がある。
【００１３】非線形セラミックス中のこれらセラミック
ス粒子は、単一相のほかＡｌ2Ｏ3やＹ2Ｏ3のような他の
セラミックス等との固溶体又は混合体であっても良く、
その結晶粒径は微細であるほど好ましいが、平均粒径が
１.０μｍ以下程度であれば塑性変形能若しくはヤング
率の減少領域をもつことが可能である。
ス粒子は、単一相のほかＡｌ2Ｏ3やＹ2Ｏ3のような他の
セラミックス等との固溶体又は混合体であっても良く、
その結晶粒径は微細であるほど好ましいが、平均粒径が
１.０μｍ以下程度であれば塑性変形能若しくはヤング
率の減少領域をもつことが可能である。
【００１４】
【実施例】実施例１ 共沈法により製造した３ｍｏｌ％Ｙ2Ｏ3含有ＺｒＯ2粉
末に、高純度Ａｌ2Ｏ3粉末を全体の０、１、５、１２重
量％となるように混合し、１００ＭＰａで加圧成形した
後、大気中にて１５００℃で５時間焼結した。使用した
ＺｒＯ2粉末とＡｌ2Ｏ3粉末に含まれる物質の組成を表
１に示した。
末に、高純度Ａｌ2Ｏ3粉末を全体の０、１、５、１２重
量％となるように混合し、１００ＭＰａで加圧成形した
後、大気中にて１５００℃で５時間焼結した。使用した
ＺｒＯ2粉末とＡｌ2Ｏ3粉末に含まれる物質の組成を表
１に示した。
【００１５】
【表１】ＺｒＯ2粉末中(wt％) Ａｌ2Ｏ3粉末中(×１０-4wt％) Ｙ2Ｏ3 ５.６３ Ｎａ １５ ＣａＯ ０.０９ Ｋ ５ ＭｇＯ ０.１０ Ｃａ １ ＳｉＯ2 ０.１０ Ｆｅ ２ Ｆｅ2Ｏ3 ０.０１ Ｓｉ １５ Ａｌ2Ｏ3 ０.０２ Ｇａ ２ ＴｉＯ2 ０.１５
【００１６】得られた各ＺｒＯ2焼結体はいずれも密度
が９５％以上であり、ＺｒＯ2結晶粒子の平均粒径が約
０.５μｍであった。又、Ａｌ2Ｏ3粉末を添加した本発
明例の試料では、いずれも粒界にＹ2Ｏ3とＡｌ2Ｏ3の偏
析が認められた。
が９５％以上であり、ＺｒＯ2結晶粒子の平均粒径が約
０.５μｍであった。又、Ａｌ2Ｏ3粉末を添加した本発
明例の試料では、いずれも粒界にＹ2Ｏ3とＡｌ2Ｏ3の偏
析が認められた。
【００１７】得られた各ＺｒＯ2焼結体の寸法はほぼ３
×４×４０ｍｍの角柱であり、そのまま３点曲げ試験を
行ったところ、Ａｌ2Ｏ3粉末を添加していない試料は３
００ＭＰａ付近の応力で破断したが、Ａｌ2Ｏ3粉末を添
加した試料はいずれも３００〜５００ＭＰａ付近の応力
で弾性率の異常を示した。
×４×４０ｍｍの角柱であり、そのまま３点曲げ試験を
行ったところ、Ａｌ2Ｏ3粉末を添加していない試料は３
００ＭＰａ付近の応力で破断したが、Ａｌ2Ｏ3粉末を添
加した試料はいずれも３００〜５００ＭＰａ付近の応力
で弾性率の異常を示した。
【００１８】図１に５重量％のＡｌ2Ｏ3粉末を添加した
試料と、Ａｌ2Ｏ3粉末を添加していない試料のヤング率
の変化を示した。尚、この実施例ではＨＩＰ焼結等を行
っていないので、各ＺｒＯ2焼結体の曲げ強度は比較的
低い値である。
試料と、Ａｌ2Ｏ3粉末を添加していない試料のヤング率
の変化を示した。尚、この実施例ではＨＩＰ焼結等を行
っていないので、各ＺｒＯ2焼結体の曲げ強度は比較的
低い値である。
【００１９】実施例２ 直接窒化法により製造した平均粒径１.０μｍのＳｉ3Ｎ
4粉末（α−分率９１％）に、３重量％の高純度Ｙ2Ｏ3
粉末と１重量％の高純度Ａｌ2Ｏ3粉末を添加混合し、１
００ＭＰａで加圧成形した後、窒素雰囲気中にて１７０
０℃で１時間焼結した。比較のために、Ａｌ2Ｏ3粉末を
添加しない以外は上記と同様にして焼結体を製造した。
使用したＳｉ2Ｎ3粉末に含まれる主な不純物を表２に示
した。
4粉末（α−分率９１％）に、３重量％の高純度Ｙ2Ｏ3
粉末と１重量％の高純度Ａｌ2Ｏ3粉末を添加混合し、１
００ＭＰａで加圧成形した後、窒素雰囲気中にて１７０
０℃で１時間焼結した。比較のために、Ａｌ2Ｏ3粉末を
添加しない以外は上記と同様にして焼結体を製造した。
使用したＳｉ2Ｎ3粉末に含まれる主な不純物を表２に示
した。
【００２０】
【表２】
【００２１】得られた各Ｓｉ3Ｎ4焼結体は密度が９７％
以上であり、Ｓｉ3Ｎ4結晶粒子の平均粒径が約０.６μ
ｍであった。又、Ｙ2Ｏ3粉末と共にＡｌ2Ｏ3粉末を添加
した本発明例の試料では、粒界にＹ2Ｏ3とＡｌ2Ｏ3の偏
析が認められた。
以上であり、Ｓｉ3Ｎ4結晶粒子の平均粒径が約０.６μ
ｍであった。又、Ｙ2Ｏ3粉末と共にＡｌ2Ｏ3粉末を添加
した本発明例の試料では、粒界にＹ2Ｏ3とＡｌ2Ｏ3の偏
析が認められた。
【００２２】得られた各Ｓｉ3Ｎ4焼結体の寸法はほぼ３
×４×４０ｍｍの角柱であり、そのまま３点曲げ試験を
行ったところ、Ａｌ2Ｏ3粉末を添加していない試料は４
００ＭＰａ付近の応力で破断したが、Ａｌ2Ｏ3粉末を添
加した試料は４００〜６００ＭＰａ付近の応力で弾性率
の異常を示した。図２にＹ2Ｏ3粉末とＡｌ2Ｏ3粉末とを
添加した本発明例の試料と、Ｙ2Ｏ3粉末のみ添加しＡｌ
2Ｏ3粉末を添加していない比較例の試料のヤング率の変
化を示した。
×４×４０ｍｍの角柱であり、そのまま３点曲げ試験を
行ったところ、Ａｌ2Ｏ3粉末を添加していない試料は４
００ＭＰａ付近の応力で破断したが、Ａｌ2Ｏ3粉末を添
加した試料は４００〜６００ＭＰａ付近の応力で弾性率
の異常を示した。図２にＹ2Ｏ3粉末とＡｌ2Ｏ3粉末とを
添加した本発明例の試料と、Ｙ2Ｏ3粉末のみ添加しＡｌ
2Ｏ3粉末を添加していない比較例の試料のヤング率の変
化を示した。
【００２３】
【発明の効果】本発明によれば、セラミックスの機械的
強度、耐摩耗性、化学的安定性等の優れた特性を維持し
たまま、降伏点付近を越える応力で塑性変形し若しくは
ヤング率が大幅に減少するセラミックス材料を提供でき
るので、エンジン部品等の構造材料として極めて有用で
あると期待される。
強度、耐摩耗性、化学的安定性等の優れた特性を維持し
たまま、降伏点付近を越える応力で塑性変形し若しくは
ヤング率が大幅に減少するセラミックス材料を提供でき
るので、エンジン部品等の構造材料として極めて有用で
あると期待される。
【図１】本発明例の非線形ＺｒＯ2焼結体と比較例のＺ
ｒＯ2焼結体の、応力に対するヤング率の変化を示すグ
ラフである。
ｒＯ2焼結体の、応力に対するヤング率の変化を示すグ
ラフである。
【図２】本発明例の非線形Ｓｉ3Ｎ4焼結体と比較例のＳ
ｉ3Ｎ4焼結体の、応力に対するヤング率の変化を示すグ
ラフである。
ｉ3Ｎ4焼結体の、応力に対するヤング率の変化を示すグ
ラフである。
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成５年２月１９日
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１】
【図２】
Claims (2)
- 【請求項１】 応力−歪線図が直線状にならず、加えら
れる応力が３００ＭＰａを越える範囲で塑性変形するか
若しくはヤング率が大幅に減少する領域をもつことを特
徴とする非線形セラミックス。 - 【請求項２】 高強度のセラミックス結晶粒子と、その
結晶粒子間に偏析した酸化アルミニウムと酸化イットリ
ウムを含む粒界相とからなることを特徴とする、請求項
１記載の非線形セラミックス。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4171866A JPH05339045A (ja) | 1992-06-05 | 1992-06-05 | 非線形セラミックス |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4171866A JPH05339045A (ja) | 1992-06-05 | 1992-06-05 | 非線形セラミックス |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05339045A true JPH05339045A (ja) | 1993-12-21 |
Family
ID=15931244
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4171866A Pending JPH05339045A (ja) | 1992-06-05 | 1992-06-05 | 非線形セラミックス |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05339045A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012013531A (ja) * | 2010-06-30 | 2012-01-19 | Japan Fine Ceramics Center | 金属酸化膜、酸素センサ、酸素透過膜及び固体酸化物燃料電池 |
| JP2014205586A (ja) * | 2013-04-11 | 2014-10-30 | 株式会社ニッカトー | ジルコニア質焼結体、ジルコニア質焼結体からなる粉砕・分散用メディア |
-
1992
- 1992-06-05 JP JP4171866A patent/JPH05339045A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012013531A (ja) * | 2010-06-30 | 2012-01-19 | Japan Fine Ceramics Center | 金属酸化膜、酸素センサ、酸素透過膜及び固体酸化物燃料電池 |
| JP2014205586A (ja) * | 2013-04-11 | 2014-10-30 | 株式会社ニッカトー | ジルコニア質焼結体、ジルコニア質焼結体からなる粉砕・分散用メディア |
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