セラミックスとは

セラミックスは、人為的な処理によって製造された非金属無機質固体材料を表す言葉です。古来、「人為的な処理」は熱処理が中心でした。そのためセラミックスは、窯業製品、すなわち窯を用いた高温処理で製造される陶磁器等の製品、あるいはそれらを製造する技術や科学を表す言葉でもあります。陶磁器、耐火物、セメント、ガラスには、ケイ酸塩質天然原料を用いて古くから製造されてきたものが多くあり、このようなセラミックスを伝統的セラミックスあるいは古典的セラミックスと呼ぶことがあります。
これに対して20世紀半ば以降、天然原料ではなく厳密に組成制御された人工原料を利用し、熱的、機械的、電磁気光学的、生物学的機能を持つ種々のセラミックスが作られるようになりました。このような新しいセラミックスの一群はファインセラミックスと呼ばれています。

硬さや弾性率が金属や有機材料に比べ大きく、摩耗しにくく、軽くて高温で機械的性質の劣化が少ないことが特徴です。しかし、非常にもろいという大きな欠点もあります。
単体である炭素やダイヤモンドを例外として、セラミックスは、金属元素、半金属元素、非金属元素のうちの少なくともいずれか2つの元素グループの間で生じる化合物から成り立っています。そのためセラミックスは金属結合、共有結合に加え、イオン結合がかなり重要な結合方法として多くのケースに関与しています。このように複数の結合方法が関与しているセラミックスの化学結合は、多種多様な特性をセラミックスに与えますが、イオン結合性物質や共有結合性物質の共通の性質として、固体は顕著にもろさ(脆性)を示します。もろさの克服がセラミックスの利用の要点です。

セラミックスは主にその用途によって表のように分類することができます。表からもわかるように、使用する原料や形成方法により、様々な用途に使うことができます。天然の鉱産資源をほぼそのまま、もしくは物理的・化学的方法を用いて精製した天然原料は主に陶磁器、耐火物、セメント、ガラス等の伝統的なセラミックスに使用されます。鉱産資源から目的成分だけを抽出して作った人工原料は主にエレクトロニクスやフォトニクス用等のファインセラミックスの製造用として用いられます。

ファインセラミックスの製造工程は以下の通りです。

原料調合・混合・粉砕、噴霧・乾燥

セラミックボールが充填されたミルと呼ばれる装置に、原料粉末を水等の溶媒と共に入れ、均一な混合や粒子サイズの分布をそろえるために装置を回転または振動を加えます。混合されたものをスラリーといいます。調製されたスラリーは熱風を発生するスプレードライヤーと呼ばれる装置で噴霧されます。次の工程で成形型への充填率を高めたり、成形体の密度を高めたりするため、スラリーを乾燥するとともに、原料の詰まった球状の顆粒体に造粒されます。

成形

冷間静水圧加工成形（原料をゴム等の型に充填し、圧力を加えて、製品形状に近い形状にする成形方法）、加圧成形（原料を型に充填し、圧力を加えて、製品形状に近い形状にする方法）、押出成形（原料に、水とバインダー、可塑剤、分散剤を加えて粘土状にし、この粘土状の可塑体に圧力を加えながら口金（金型）を通して押出し、成形する方法）、射出・鋳込成形（原料に添加物を加え、流動性を持たせて、型内に加圧充填し、製品形状に近い形状にする成形方法）等を用いて成形します。

焼成

焼結工程では、圧縮成形されたセラミック原料（充填率約60%）を、その融点以下で加熱し、粉体同士を融着・合体させることで緻密化が進みます。高温のセラミック粉体は、粒子の接触点を通じて互いに物質移動を起こし、あたかも水の液滴が接触するとひとつになるように、一体化します。焼結方法は、真空中、大気中や非酸化雰囲気中等、目的に応じていろいろなものがあります。

研削・接合

製品や目的に合わせ、主にダイヤモンド砥石等を使って、寸法精度の高い製品や鏡面に研磨された製品を作ったり(研削)、焼結体表面に金属層を設け、導体パターンの形成を行ったり(メタライズ)、セラミックス製品同士や金属・樹脂と一体化させ、複合製品を作ったり(接合・接着)します。