アルミナセラミック部品は、高硬度、耐高温性、耐腐食性、優れた絶縁性といった優れた特性を有し、エレクトロニクス、医療、航空宇宙などの分野で広く利用されています。精密電子部品から過酷な環境で使用される機械部品まで、アルミナセラミック部品はあらゆる場所で使用されています。しかし、アルミナ粉末に水を加えて高温で焼成するだけでは、優れた特性を持つ高性能セラミック部品を直接製造することはできません。その背後には、添加剤が重要な役割を果たしています。
純アルミナの融点は2050℃と高く、焼結温度は通常1600℃以上が必要です。これはエネルギー消費量の増加につながるだけでなく、結晶粒粗大化や性能低下を引き起こしやすいという問題もあります。さらに、アルミナ自体が非常に脆く、直接焼結したセラミックスは割れやすく、精密機器の要求を満たすことが困難です。添加剤の作用は以下の通りです。
① 焼結温度の低減（省エネ・コスト削減）
② 密度の向上（気孔の減少と強度の向上）
③ 粒界構造の最適化（靭性、耐熱衝撃性の向上）
④ 電気的・熱的性質（絶縁性、熱伝導性など）を調節する。
この記事では、一般的に使用される添加剤をいくつか紹介します。
1. フラックス：焼結温度を下げ、密度を向上させます。
アルミナは融点が高く、直接焼結は膨大なエネルギーを消費するだけでなく、設備への要求も非常に高くなります。フラックスの登場により、この問題は効果的に解決されました。フラックスはいわば温度調節器のようなもので、アルミナセラミックスの焼結温度を下げることができ、焼結プロセスの効率と省エネ性を高めます。
（1）二酸化チタン（二酸化チタン₂）は一般的なフラックスの一つです。焼結過程において、二酸化チタンはアルミナと反応して共晶を形成し、液相が現れる温度を下げることができます。これは料理に例えることができ、特別な調味料を加えることで、食材がより早く理想的な調理状態に達することができます。二酸化チタンをフラックスとして使用すると、焼結温度を下げるだけでなく、アルミナセラミックスの硬度をある程度向上させることができます。例えば、切削加工に使用される一部のアルミナセラミックカッターでは、適切な量の二酸化チタンを添加することで、高い硬度を維持しながら耐摩耗性を高め、寿命を延ばすことができます。
（2）酸化イットリウム（Y₂O₃）も重要なフラックスです。高温下でのアルミナの結晶相変態を抑制し、セラミック構造の安定性を維持します。高温環境で使用される電子部品の基板など、熱安定性に対する要求が極めて高いアルミナセラミック製品の場合、酸化イットリウムを添加することで、セラミック部品に優れた耐熱衝撃性を与え、急激な温度変化のある環境下でも割れにくくなります。
（3）酸化カルシウム（酸化カルシウム）は焼結温度を下げる効果もあります。アルミナと共晶を形成し、エネルギー消費量を削減するとともに、過度な粒成長を抑制し、微細粒構造のセラミックスを得るのに役立ちます。微細粒構造のセラミックスは通常、より高い強度と靭性を備えています。機械設備の耐摩耗部品など、大きな外力に耐える必要があるアルミナセラミックス部品では、酸化カルシウムを添加することで部品の性能を向上させることができます。
2. 強化剤および強靭化剤：破壊靭性を向上させ、脆さを軽減します。
アルミナセラミックスは硬度が高いものの、靭性が比較的低いため、外部からの衝撃を受けると脆性破壊を起こしやすい。強化剤や強靭化剤の登場は、アルミナセラミック部品にコーティング層を塗布するのと同じような効果をもたらし、強度と靭性を効果的に高めることができる。
炭化ケイ素（SiC）は、一般的に使用される強化材および強靭化材です。その粒子はアルミナマトリックス中に均一に分散しています。セラミック部品が外力を受けると、SiC粒子が亀裂の伝播を阻害します。これは道路に障害物を設置するのと似ています。亀裂がSiC粒子に衝突すると、伝播方向が変わり、より多くのエネルギーを消費するため、セラミック部品の破損リスクが低下します。高負荷環境で使用されるアルミナセラミック軸受では、炭化ケイ素を添加することで、軸受の支持力と耐用年数を大幅に向上させることができます。
窒化ホウ素（BN）も強化剤・靭性剤の一種で、セラミックスの摩擦性能を向上させ、強度と靭性を高めることができます。シーリング用セラミックリングなど、優れた摩擦性能が求められるアルミナセラミック部品では、窒化ホウ素を添加することで、部品間の摩擦や摩耗を低減し、シール効果を向上させるとともに、部品の強度を高めて耐久性を向上させることができます。ただし、添加量が10%を超えると硬度が低下する可能性があるため、潤滑性と強度のバランスをとる必要があります。
3. 機能性添加剤：電気的、熱的、または光学的特性を調整する
機能性添加剤は、基本的な特性を向上させるだけでなく、さまざまな分野のニーズを満たす独自の特性をアルミナセラミック部品に付与することもできます。
（1）ランタンやセリウムなどの希土類酸化物は、電気特性を向上させる魔法の元素です。高周波回路用セラミック基板など、エレクトロニクス分野で使用される一部のアルミナセラミック部品では、希土類酸化物を添加することで、セラミックの誘電率や誘電正接を調整し、電気性能を向上させ、高周波環境での動作に適したものにすることで、エレクトロニクス分野における応用範囲を拡大することができます。
（2）着色剤は、アルミナセラミック部品に色を付与する添加剤です。酸化クロムや酸化コバルトなどの着色剤は、アルミナと反応して様々な色のセラミックを生成します。陶磁器食器や装飾品など、装飾性が求められる一部のセラミック製品では、着色剤を添加することで、セラミック部品の美しさと多様性を高め、さまざまな消費者の美的ニーズを満たすことができます。
4. バインダーおよび成形助剤：粉末の流動性と成形強度を向上させます。
アルミナセラミック部品の成形工程において、バインダーと成形助剤は重要な役割を果たします。それらはまるで、アルミナ粉末を様々な形状の構造部品へと静かに変化させていく、熟練の英雄集団のようです。
ポリビニルアルコール（PVA）やポリアクリレートなどの有機バインダーは、接着剤のような働きをし、成形時にアルミナ粉末を互いに結合させることで、成形体に一定の強度を与え、その後の加工や焼結に備えます。テープキャスティングを例に挙げると、PVAはアルミナ粉末を溶媒中に均一に分散させ、適切な粘度と流動性を持つスラリーを形成します。このスラリーは、テープキャスティングプロセスによってグリーンフィルムに成形されます。グリーンフィルムが乾燥した後も、PVAなどのバインダーは形状と構造を維持し、後続の加工における変形を防ぎます。
成形助剤には、潤滑剤や分散剤などがあります。潤滑剤は、粉末と金型間の摩擦を低減し、金型の摩耗を最小限に抑え、成形体の密度を均一に保つことができます。乾式プレスでは、適切な量の潤滑剤を添加することで、粉末が金型に充填しやすくなり、成形体の密度が向上します。一方、分散剤は、スラリー中の粉末を均一に分散させ、凝集を防ぎます。射出成形において、分散剤は特に重要な役割を果たします。スラリーの流動性を高め、金型への射出を容易にすることで、複雑な形状のセラミック部品を成形するのに役立ちます。
添加剤は、アルミナセラミック部品の製造プロセスにおいて不可欠な役割を果たしています。焼結温度の低減や性能向上から、独自の特性付与や成形加工まで、様々な側面でアルミナセラミック部品の製造を総合的にサポートしています。技術の継続的な進歩に伴い、今後さらに多くの新しい添加剤が登場し、アルミナセラミック部品の性能向上と用途拡大の可能性がさらに広がることが期待されます。
