セラミックの試作と短納期対応

株式会社セライズ

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セラミックスとは
セラミックスとは
セラミックスは、硬くて耐熱性、耐食性、電気絶縁性などに優れており、
陶磁器や耐火物、ガラス、セメント、ファインセラミックスなどがその代表的なものです。

特にファインセラミックスは、機械的、電気的、電子的、光学的、化学的、生化学的に優れた性質、高度な機能を持っています。

セラミックスは大きく分けると陶磁器などのオールドセラミックスとファインセラミックスに分けられ、その違いは主に原料とその製造法に起因します。

オールドセラミックスは陶石、長石、粘土など、天然の鉱物を用いて混合し、成形、焼成するといった方法でつくられます。

ファインセラミックスは、高純度に精製した天然原料や、化学的プロセスにより合成した人工原料、

天然には存在しない化合物などを使います。

これらの原料を調合することによって、目的とする性質を持つ物質を得ることができるのです。

また、調合された原料は、成形、焼成、研削など、精密に制御された複雑な工程を経て、
高度な寸法精度、かつ高機能を備えた高付加価値製品となります。

セライズのこだわり
セライズはこのファインセラミックスを半世紀作り続けてきました。

こだわりは、自社で原料から焼成、後加工までを全て行えることです。

セラミックスのすべての工場を自社で行うことで、その製品に最適な状態を構築することができ、
より良い製品を産み出すことができる。これが我社のこだわりです。

セラミックスの特性
アルミナ (酸化アルミニウム)
英名:Alumina (Aluminum Oxide; アルミニウムオキサイド)
化学式:Al2O3
特徴
アルミナ(Al2O3)セラミックスは、古くから研究され、物性面、製造技術面においても安定しており、安価でもあるため、産業分野で最も広く実用されている。 酸化物系セラミックスの代表格。
特に化学的に安定。高硬度、絶縁、耐熱性に優れ、常温での機械的強度のバランスが良い。 切削工具、研磨剤、その他構造材料として利用される。
アルミナには様々な種類があるが、α-アルミナ(三方晶系)が化学的に最も安定とされ、構造用などとして広く実用されている。γ-アルミナは、高比表面積であり、触媒担体として利用される。

化学的に安定・・・ほとんどの酸、アルカリに侵されにくく、耐薬品性は極めて良好。

硬度が高い(硬い)・・・モースの硬度計では、アルミナの単結晶であるサファイヤが、ダイヤモンドに次ぐ硬さとなっている。(※ ダイヤモンド:10、アルミナ:9)高硬度であるということは、即ち耐摩耗性にも優れるということ。

電気絶縁性に優れている・・・体積抵抗率、絶縁破壊電圧など電気的物性値が高く、即ち絶縁体である。 高温時においても、絶縁性を保ち、高周波特性に対しても優れている。

機械的性質(強度)のバランスが良い・・・高剛性であり、曲げ・圧縮強度も高く、精密部品の加工に向いている。 従って、産業用構造部品として広く用いられている。※破壊靱性が他のセラミックスよりも小さい。

耐熱性に優れ、熱伝導率も良い・・・熱的には、熱伝導率が高く、耐熱性(約1500℃)に優れている。 耐火物としても使用される。※ 熱膨張係数が高く、耐熱衝撃性が弱い。(他のセラミックスよりも小さい。)
天然では、コランダム(鋼玉)、ルビー、サファイアなどとして産出。

ステアタイト
英名:Steatite
化学式:MgO・SiO2
特徴
天然に存在する滑石(タルク)を主原料とし、これを高温で焼成するとできる MgO・SiO2 (メタ珪酸マグネシウムまたはエンスタタイトともいう)の結晶が主体のセラミックス。
優れた絶縁性・・・高温環境下でも優れた絶縁性を示す。分子運動が激しくなり電子を放出しやすくなる高温環境下においても、ステアタイトは優れた電気絶縁性を示す。 高周波特性にも優れており、高周波誘電損失が少ないため、高周波絶縁体、通信機器の絶縁端子として用いられる。 各種碍子などとして幅広く使用されている。

機械的強度が良い・・・緻密質、均一性が良く、普通磁器に比べて機械的強度が高い。寸法制度も良い。耐熱衝撃性にも優れている。
化学的に安定している・・・化学的に安定しており、特に耐酸化性にすぐれている。

加工性が良い・・・やわらかい滑石(タルク)が原料であるため成形しやすく、機械加工もしやすい。 複雑形状を製造しやすく、材料も低価格であるため量産品を製造するのに適している。

ステアタイトは、1890年ごろからドイツで使われ始め、1900年代に入って世界各地に広まる。当初は、低周波、高電圧絶縁体として利用されていた。
ステアタイトの主原料となる天然のタルク(滑石)は、中国において産出されている。

ジルコニア (酸化ジルコニウム)
英名:Zirconia (Zirconium Oxide; ジルコニウムオキサイド)
備考:正確には二酸化ジルコニウム。 白色又は、透明感のある白色。
特徴
ジルコニア(ZrO2)は靭性が高いセラミックスとして知られ、機械的強度も高いため刃物や工具などにも使用される、酸化物系セラミックス。
純粋なジルコニアは、温度変化によって結晶構造が変化し、体積変化も伴うため、劣化しやすい。
これを補うため、安定化剤を添加し、体積変化を抑えた安定化ジルコニア。 安定化剤を少なくし、完全には安定させず、部分的に不安定な結晶を配置することによって、粘りのある強い靭性を示す部分安定化ジルコニア(PSZ; partially stabilized zirconia)がある。
高強度・高破壊靱性・・・常温においては、機械的強度は最も強いセラミックス。アルミナに比べても、高強度であり、破壊靭性(破壊に対する抵抗力、粘り強さ)などの機械的特性に優れる。→ 刃物、ノズル、スペーサー、インプラントとしても使用されている。

熱的特性に優れる・・・融点2700℃、最高使用温度約1200℃、耐熱衝撃性はΔ400℃と高く、熱伝導率が他のセラミックスに比べてかなり小さい。 → 耐火材、断熱材として使用される。熱膨張率が大きい。鉄と同程度の熱膨張率なので、エンジンなどの熱環境下で、金属と組み合わせて使用する事が可能。(熱膨張の差によって割れたりする事がない。※他のセラミックスの熱膨張率は、金属の数十分の一。)

耐薬品性・・・薬品に対して侵されにくいが、一部の酸と塩基に侵食される。 フッ化水素酸(フッ酸)に対しては激しく侵され、水酸化ナトリウム、硝酸、塩酸にも微量に侵食される。

イオン伝導性 (ジルコニア中の酸素は移動しやすい)・・・特にPSZでは、安定化剤の影響で酸素空孔が形成され、電圧がかかると酸素イオンが移動し電流が流れる。 このような性質があるため、ジルコニアは酸素センサーなどに利用されている。また、低酸素濃度環境下で用いると、酸素が出て、ジルコニウム(金属)が多くなり、物性に変化が表れる。即ち、電気抵抗が低くなり、導電性を帯びる。(高温、低酸素環境下で表れる。)※電気絶縁目的での使用には注意が要る。

コージライト (コージェライト)
英名:Cordierite
化学式:2MgO・2Al2O3・5SiO2e
備考:天然で産出するものは「菫青石(きんせいせき)」と呼ばれる。
特徴
酸化マグネシウム(MgO:マグネシア)、酸化アルミニウム(Al2O3:アルミナ)、二酸化珪素(SiO2:シリカ)の三成分からなるセラミックス。

熱膨張係数が極めて低い・・・熱膨張係数が極めて小さなセラミックス。その値はアルミナや一般磁器の2分の1程度であり、かなり小さい。

耐熱衝撃性に優れる・・・たとえ熱による膨張があったとしても、直線的に膨張するため、熱衝撃(ヒートショック)によるダメージを受けにくい。即ち熱衝撃に強い

強い機械的強度・・・機械的強度は強く、高温環境下でも、荷重のかかる部分において使用されている。軽量、多孔質。

窒化アルミ(チッ化アルミニウム)
化学式:AlN
備考:アルミニウムの窒化物。白色
特徴
高い熱伝導性・熱衝撃性・・・ファインセラミックス(エンジニアリングセラミックス)の中でも最も熱伝導率が高い。(アルミナの7~8倍以上) 即ち、熱放射性も高い。
熱衝撃にも強く、高温状態から放熱し、これを急激に繰り返すような用途にも用いられる。

高い電気絶縁性・・・他のセラミックスに比べて電気絶縁性が高い。また、誘電率が低い。→高い熱的特性と合わせて、電気電子部品に使用される。

低い熱膨張率・・・Si(シリコン)と同程度の熱膨張率であり、熱変形しにくい。

窒化ケイ素(チッ化珪素)
英名:Silicon Nitride (シリコンナイトライド)
化学式:Si3N4
備考:アルミニウムの窒化物。白色
特徴
高い熱伝導性・熱衝撃性・・・ファインセラミックス(エンジニアリングセラミックス)の中でも最も熱伝導率が高い。(アルミナの7~8倍以上) 即ち、熱放射性も高い。
熱衝撃にも強く、高温状態から放熱し、これを急激に繰り返すような用途にも用いられる。

高い電気絶縁性・・・他のセラミックスに比べて電気絶縁性が高い。また、誘電率が低い。→高い熱的特性と合わせて、電気電子部品に使用される。

低い熱膨張率・・・Si(シリコン)と同程度の熱膨張率であり、熱変形しにくい。

炭化ケイ素(炭化珪素)
英名:Silicon Carbide(シリコンカーバイド)
化学式:SiC
備考:黒色~緑色。
特徴
純粋な炭化ケイ素は無色透明で、工業用では、黒色が一般的。 清浄な製造工程ほど色が薄くなる。
高硬度、耐摩耗性、摺動性に優れる・・・ダイヤモンドの結晶構造によく似ている。 共有結合であるため、かなり高硬度で、他のセラミックスに比べて高温域(1000℃以上)においても機械的強度の低下が少く、耐摩耗性にも優れ、摺動性も良い。
硬さは、新モース硬度において、ダイヤモンドが15、炭化ホウ素14、炭化ケイ素13、と3番目にくるほどかなり硬いセラミックス。

耐熱性・・・耐熱性としては、空気中で約1500℃~1600℃位まで安定し、耐熱部品として用いられる。空気中において700℃~800℃以上で酸化がはじまるが、表面にできる酸化皮膜SiO2が内部への酸化進行を抑えるため、耐酸化性を持つ。

高い熱伝導性・・・金属に似た高い熱伝導率をもち、熱を伝えやすい性質があるため、他の半導体の基盤部材としても利用される。

化学的に安定・・・化学的に安定しているため、耐薬品性も良好で、酸やアルカリに侵されにくい。 一部の混合酸液にはわずかに溶け、一部の溶融塩や融鉄には溶ける。

半導体である・・・電気的には半導体であり、シリンコンに比べてバンドギャップが大きいため、高温・高線量環境において利用できる半導体として注目されている。

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