アドバンスト・セラミックスの曲げ強度

曲げ強さは、曲げ強さまたは破断係数としても知られ、材料が曲げ荷重で破断するまでにどれだけの応力に耐えられるかを規定する重要な機械的特性です。アドバンストセラミックスでは、曲げ強度は、構造、摩耗、および熱衝撃の用途における性能を決定する上で重要な役割を果たします。

壊れる前に降伏する金属とは異なり、セラミックは脆く、塑性変形せずに壊れます。そのため、曲げ強度は設計や工学計算において特に重要になる。

セラミックスの硬度:特性、比較と応用

高曲げ強度用途にセラミックスを選ぶ理由

アドバンスト・セラミックスが高性能部品に好まれるのにはいくつかの理由がある:

  • 高い強度対重量比:窒化ケイ素やジルコニアのようなセラミックは、軽量でありながら卓越した機械的強度を提供します。
  • 優れた熱安定性:セラミックは1000℃を超える温度でも曲げ強度を維持し、ほとんどの金属やプラスチックよりも優れています。
  • 耐摩耗性と耐腐食性:化学薬品、研磨剤、湿気を含む環境に最適。
  • 寸法安定性:荷重による塑性変形がなく、安定した公差を確保。
  • 長寿命:繰り返し荷重や疲労シナリオでも長持ち。

主要アドバンストセラミックスの曲げ強度データ

セラミック素材 曲げ強さ (MPa)
ジルコニア (ZrO₂) 800-1200
窒化ケイ素 (Si₃N₄) 700-1200
ZTA(ジルコニア強化アルミナ) 600-800
炭化ケイ素(SiC) 400-600
アルミナ(Al₂O₃、99.7%) 300-500
窒化アルミニウム(AlN) 300-400
炭化ホウ素 (B₄C) 200-400
酸化ベリリウム (BeO) 150-250
機械加工可能なガラス・セラミック 100-150

*データは参考値です。

比較表:セラミック、金属、プラスチック

下の棒グラフは、超硬セラミックスから一般的な工業用プラスチックまで、さまざまなエンジニアリング材料の曲げ強さ(MPa)を小さい順に示したものです。

セラミック
メタル
プラスチック

*データは参考値です。

*結論多くの金属が強靭で延性がある一方で、トップセラミックスの曲げ強度に近づくものはごくわずか(チタン合金など)である。プラスチックは一般に、はるかに遅れている。

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高い曲げ強度を得るために適切なセラミック材料を選択することは、長期的な信頼性と最高の性能を確保するために非常に重要です。ジルコニア、窒化ケイ素、またはアルミナベースのセラミックのいずれが必要であっても、当社の材料は業界をリードする強度、耐久性、および精度を提供します。

当社の技術チームがお手伝いいたします。お客様の具体的な要件に基づき、専門家によるカスタマイズされたご提案をさせていただきますので、お気軽にお問い合わせください。

セラミック曲げ強度に基づく用途

  • 用途蒸着またはエッチングチャンバー内のウェハーサポートプレート。
  • 理由:これらのプレートは、繰り返される熱サイクルと機械的負荷にさらされる。
  • 利点セラミックスは高い曲げ強度(~900~1000MPa)、優れた耐熱衝撃性、寸法安定性を持つ。
  • メリット高温処理時の反りやクラックの防止、デバイスの歩留まりとプロセスの信頼性の向上、過酷な環境下での長寿命化など。
  • 用途摩耗性または腐食性流体ポンプのプランジャー部品
  • 理由:プランジャーは高圧力下での繰り返し曲げと圧縮の力に耐える。
  • 利点SSiCは、~800~1000MPaの曲げ強度と優れた耐食性を兼ね備えている。
  • 利点機械的負荷による変形や破壊がない、腐食性化学環境で優れた性能を発揮する、メンテナンスが少ない、耐用年数が長い
  • 用途ハイブリッドセラミックボールベアリング
  • 理由:ボールはラジアル荷重、遠心力、微小振動を受ける。
  • 材料の利点:窒化ケイ素は軽量で、強度と耐疲労性に優れている。
  • 利点熱変形のない高回転、スチール製ベアリングに比べて長寿命、真空や高温条件下でも無潤滑で動作。
  • アプリケーション高出力LEDサブマウントおよびチップキャリア
  • 理由:薄いセラミック基板は、機械的な曲げや熱応力に耐える必要があります。
  • 利点AlNの曲げ強度は300~400MPa、熱伝導率は170W/m・Kを超える。
  • 利点熱サイクル下での構造的完全性の維持、パワーデバイスの小型化への対応、効率的な放熱、長期信頼性の実現。
  • 用途変電所の絶縁ロッドおよび構造用ブラケット
  • 理由:風、ケーブル、環境ストレスによる機械的負荷は、高い剛性を必要とする。
  • 利点アルミナセラミックスは信頼性の高い強度(300~450MPa)と長期屋外耐久性を持つ。
  • 利点電気部品の信頼性の高い支持構造、屋外条件下での経年劣化の最小化、優れた機械的特性と誘電特性。
  • 用途ブレーキシステムのセラミック摩擦エレメント
  • 理由:ブレーキパッドは、繰り返される熱サイクルの間、せん断力と曲げ力に抵抗しなければならない。
  • 利点ZTA(ジルコニア強化アルミナ)により、靭性と曲げ強度が向上(~600~800MPa)。
  • メリット耐摩耗性の向上、金属製システムよりも長い耐用年数、過酷なブレーキ条件下での安全性の向上。
  • 用途CT、X線、ロボット装置の構造支持アーム
  • 理由:サポートアームは、静的または動的な負荷の下で、正確な寸法と剛性を必要とします。
  • 利点MGCは約150MPaの曲げ強度を持ち、厳しい公差で加工できる。
  • メリット寸法精度が高く、機械加工が容易で、電気絶縁性と熱安定性に優れ、特注の小ロット生産に最適。

よくある質問(FAQ)

曲げ強さとは、材料が破損するまでに曲げに耐えられる最大応力のことです。セラミックのような脆い材料にとっては非常に重要である。

セラミックスは塑性変形ができないため、破壊する前に曲げ荷重に耐える能力が、構造用途における信頼性の鍵となる。

窒化ケイ素とジルコニアは最強の部類に入り、その値はしばしば1000MPaを超える。

セラミックの中には、特に重量対強度比を考慮した場合、曲げ強度で金属を上回るものもあるが、より脆く、破壊を防ぐには慎重な設計が必要である。

曲げ強さは、3点曲げまたは4点曲げの手法(ASTM C1161)を用いて試験するのが一般的である。

高純度、結晶粒構造、強力なイオン/共有結合により、セラミックスはクリープや摩耗が少なく、優れた強度を持つ。

ジルコニアと窒化ケイ素が最も強度が高い。マシナブルセラミックスは強度は低いが加工しやすい。

炭化ケイ素セラミックスの熱伝導率