アドバンストセラミックスの体積抵抗率

体積抵抗率は、材料が電流の流れにどれだけ強く逆らうかを定義する基本的な電気特性です。電気絶縁性、高耐熱性、極限環境での安定性が要求される用途では特に重要であり、アドバンストセラミックスが得意とする分野です。

アルミナ(Al₂O₃)、ジルコニア(ZrO₂)、窒化ケイ素(Si₃N₄)のようなセラミック材料は、まさにその優れた絶縁特性により、電子機器、航空宇宙、医療機器、電力システムに広く使用されている。

セラミックスの硬度:特性、比較と応用

体積抵抗率とは?

体積抵抗率(ρv)は、オーム・センチメートル(Ω・cm)単位で測定され、単位立方体を横切る材料の電気抵抗を定量化します。材料の表面に沿った抵抗を測定する表面抵抗率とは異なります。

体積抵抗率が高ければ高いほど、材料は絶縁体として優れた機能を発揮します。セラミックの場合、この特性は漏電、部品の故障、信号の歪みを防ぐ上で極めて重要です。

なぜ体積抵抗率が重要なのか?

  • 高電圧部品の漏電を防ぐ
  • 電子回路におけるシグナル・インテグリティの確保
  • 航空宇宙および医療機器の安全性を高める
  • パワーエレクトロニクスの熱絶縁を可能にする

主要アドバンストセラミックスの体積抵抗率データ

セラミック素材 体積抵抗率 (Ω-cm) 備考
アルミナ(Al₂O₃) ~10¹⁴ - 10¹⁶ 安定したコストパフォーマンスの高い絶縁体
ジルコニア (ZrO₂)  ~10¹⁰ - 10¹² アルミナより低く、高強度
ZTA20 ~10¹¹ - 10¹³ 強化アルミナ、良好な妥協点
窒化ケイ素 (Si₃N₄)  ~10¹² - 10¹⁴ 強力な機械的強度と優れた絶縁性
窒化アルミニウム(AlN) ~10¹³ - 10¹⁵ 熱+電気使用に優れている
炭化ケイ素(SiC) ~10³ - 10⁶ 半導体、限定絶縁
酸化ベリリウム (BeO) ~10¹³ - 10¹⁴ 高い断熱性
窒化ホウ素(BN) ~10¹² - 10¹⁵ 高温でも安定
MGC(マシナブル・グラス・セラミック) ~10¹³ - 10¹⁴ 機械加工可能で断熱性がある

*データは参考値です。

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可視化体積抵抗率の比較

*データは参考値です。

セラミック体積抵抗率に基づく用途

  • 応募の背景

    送電システムには、強い電界や屋外環境に耐える絶縁体や開閉器部品が必要です。

  • 体積抵抗率: 10¹⁴~10¹⁶Ω・cm

  • 代表的な用途

    • 高電圧セラミックブッシング、アーク消弧ノズル、ケーブル終端部
    • GIS(ガス絶縁開閉装置)の内部絶縁部品
  • なぜアルミナなのか:

    • 高い抵抗率で電気絶縁性を確保

    • 絶縁破壊を防ぐ優れた熱安定性

    • 強力な機械的性能を備えたコスト効率

  • 応募の背景

    パワーモジュールとRFエレクトロニクスには、絶縁性と高い熱伝導性を兼ね備えた材料が必要です。

  • 体積抵抗率: ≥10¹⁴ Ω-cm

  • 代表的な用途

    • SiCおよびGaNパワーモジュール用セラミック基板

    • LEDパッケージ用放熱基板

    • 5Gパワーアンプにおける基板

  • なぜAlNなのか:

    • 安全な絶縁のための高い抵抗率

    • 最大170-200 W/m・Kの熱伝導率

    • 半導体にマッチした熱膨張

  • 応募の背景

    電気自動車(EV)システムでは、構造部品は高電圧下で絶縁と機械的強度の両方を提供しなければならない。

  • 体積抵抗率: 10¹⁴~10¹⁶Ω・cm

  • 代表的な用途

    • EVバッテリーパックの絶縁コネクター

    • IGBTモジュール・パッケージのセラミック部品

    • 電気駆動システムの絶縁部品

  • なぜ窒化ケイ素なのか?

    • 熱や機械的ストレス下でも断熱性を維持

    • 熱衝撃に強く、頻繁なオン・オフサイクルに最適

  • 応募の背景

    RF手術器具やアブレーション・システムなどの医療機器には、精密な絶縁性を持つ小型化されたセラミック部品が必要である。

  • 体積抵抗率: 10⁸~10¹¹ Ω-cm(これより低いが、管理された用途では十分)

  • 代表的な用途

    • 電気手術器具用絶縁チップ

    • 内視鏡ガイドの末端

  • なぜジルコニアなのか

    • 絶縁性と優れた生体適合性を併せ持つ

    • 小型デバイスのための高い加工精度

  • 応募の背景

    半導体や航空宇宙システムには、真空環境下での高精度、低電力の絶縁構造が要求されることが多い。

  • 体積抵抗率: ≥10¹³Ω・cm

  • 代表的な用途

    • 精密抵抗器用取付ベース

    • 衛星エレクトロニクスの絶縁構造部品

  • なぜMGCなのか:

    • 焼結せずに容易に加工可能

    • 過酷な条件下でも低熱膨張で高い断熱性を維持

  • 応募の背景

    高温炉やプラズマシステムは、真空または不活性条件下での断熱にBNを使用している。

  • 体積抵抗率: ≥10¹ ⁵ Ω-cm

  • 代表的な用途

    • 真空電極間の絶縁スペーサー

    • 高周波プラズマ源をサポート

  • なぜh-BNなのか:

    • 高温でも抵抗率を維持

    • 薄い絶縁シートへの加工が容易

  • 応募の背景

    軍事用レーダー、マイクロ波通信、パルスパワーモジュールには、電気と熱の二重機能を持つ材料が要求される。

  • 体積抵抗率: ≥10¹⁴ Ω-cm

  • 代表的な用途

    • マイクロ波電力管用セラミック筐体

    • レーダーシステムにおける断熱構造

  • なぜBeOなのか:

    • 卓越した熱伝導率(>250 W/m・K)を有する高抵抗率

    • 絶縁と放熱の両方を提供

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よくある質問(FAQ)

アルミナと窒化アルミニウムは通常、10¹⁵Ω・cmを超える体積抵抗率を示し、エポキシのような一般的なポリマーに匹敵する。

いいえ、SiCは半導体であり、一般的に高抵抗絶縁体としては不向きです。

セラミックは、熱安定性、機械的強度、耐薬品性においてプラスチックよりも優れている。

ZTA20は、破壊靭性を高めるためにジルコニアを含むが、純粋なアルミナよりも体積抵抗率がわずかに低い。