陶芸界の「スポンジ・ボブ」とも言うべきこの陶器は、軽くて保温性に優れています。

制作：中国科学普及協会

著者: 李克偉 (中国科学院固体物理研究所)

プロデューサー: 中国科学博覧会

セラミック素材といえば、皆さんもよくご存知だと思います。陶磁器産業は最も古い産業の一つです。紀元前24,000年頃には、最古の陶磁器産業が誕生しました。最初、人々は粘土と水を混ぜて焼結するとさまざまな形の物体を作ることができることを発見しました。これが陶磁器の前身です。焼成技術の発展と進歩に伴い、陶磁器は次第に人間の生活や生産に欠かせない素材となってきました。

セラミック製造技術の継承と継続に伴い、セラミック製品は粗いものから細かいものへと徐々に変化し、焼結条件は低温から高温へと発展してきました。同時に、セラミックファミリーもさらに拡大し、改良されました。今日の材料体系では、有機材料と金属材料を除くすべての材料、つまり無機非金属材料を総称してセラミック材料と呼んでいます。

セラミック材料には多くの種類があり、多孔質セラミックもその1つです。

セラミック材料は、その機能に応じて構造用セラミックと機能性セラミックに分けられます。セラミック材料は無機非金属材料を高温焼結して形成される固体材料の一種であるため、通常、融点が高く、硬度が高く、化学的安定性に優れています。

材料の機械的、熱的、化学的特性を引き出す必要がある場合は、構造用セラミックを使用する必要があります。構造用セラミックスは航空宇宙分野で非常に人気があります。これらは、航空機やロケットエンジンのブレード、また高速航空機のノーズコーンや翼の前縁などの主要部品にも見られます。

機能性セラミックスは、電気、光、磁気、音、熱などの物理的性質に特殊な機能を持たせて作られたセラミック材料です。その家族も巨大です。例えば、無線機器や回路素子などに使われる絶縁セラミックスや誘電体セラミックス、センサーなどに使われる圧電セラミックスや透明セラミックス。目立たないけれど、沈黙の中の雷のような存在です。

エンジンのセラミックマトリックス複合部品（左）と透明機能性セラミック材料（右）

(写真提供: Composites.com)

多くの場合、セラミック素材について言及するとき、最初に思い浮かぶのは厚さと強度です。これは、これらの一般的なセラミック材料が非常に密度が高いためです。しかし、セラミック材料の大きなグループの中で、多孔質セラミックはその独特な構造と特性により、徐々に注目を集めるようになりました。

多孔質セラミックスとは、その名の通り、微細な気孔が多数存在するセラミックス素材の一種です。これらの細孔は閉じている場合も相互に連結している場合もあり、多孔質セラミックにさまざまな独自の物理的および化学的特性を与えます。多孔質セラミックスの多孔度は通常 10% ～ 90% で、孔径はナノメートルからマイクロメートルの範囲になります。

多孔質酸化物セラミック

（写真提供：中国粉体ネットワーク）

多孔質セラミックスの応用は 19 世紀後半に始まりました。製造プロセス中に、さまざまな製造パラメータと条件を調整することで、セラミック内部にさまざまな数、サイズ、形状の気孔を生成できます。これらの孔は微視的または巨視的であり、さまざまな形状をしているため、独特の多孔質構造が形成されます。

多孔質セラミックスは、通常のセラミックス材料の高い化学的安定性、耐高温性、耐腐食性、高強度などの利点があるだけでなく、その大きな表面積と空隙構造により、軽量、優れた吸着性能、優れた断熱性能などの利点があり、環境保護、エネルギー、化学工業、医薬品、バイオメディカルなどの分野で広く使用されています。

多孔質セラミックスの気孔はどのようにして形成されるのでしょうか?

多孔質セラミックの製造方法は、製造プロセスの複雑さと製造される多孔質セラミックの多孔度に応じて、一般的に部分焼結法、レプリカテンプレート法、犠牲テンプレート法、直接発泡法に分けられます。

多孔質セラミック製造プロセスの概略図

（画像出典：参考1）

部分焼結は現在、多孔質セラミック材料を製造するために一般的に使用されている方法です。簡単に言えば、セラミック粒子またはセラミック繊維をプレスしてグリーン体にし、高温条件下で焼結して粒子または繊維間の結合を形成します。同時に、粉末粒子は表面拡散または蒸発・凝縮により結合します。焼結は完全な密度に達する前に終了し、セラミック内に均一な多孔質構造を形成します。出発粉末の粒子サイズと部分焼結手順を変えることで、多孔質セラミックの細孔サイズと多孔度を変えることができます。この方法で製造されたセラミック材料の場合、粒子間の焼結ネック、多孔度、および気孔サイズが性能に直接影響します。

犠牲テンプレート法は、孔形成剤添加法とも呼ばれます。主な利点は、低コストと便利な操作です。原理としては、セラミックスラリーに一定量の細孔形成剤を添加することです。焼結工程において、気孔形成剤は熱によりガスに分解され、気孔を形成します。この方法はプロセスが単純ですが、気孔分布を制御することが難しく、完成品の均一性が悪くなります。

レプリカテンプレート法とは、文字通り、他の材料のテンプレートを複製して、高体積多孔度と開いた気孔壁を持つ多孔質セラミックスを作製することを意味します。スポンジを例にとると、まずテンプレートにセラミック懸濁液、前駆体溶液などを含浸させ、残りの部分を遠心分離などの方法で排出します。セラミック含浸テンプレートを乾燥させた後、熱処理して有機スポンジを分解し、最終的に高温でセラミック層を緻密化します。これらのオープンユニットは相互接続されており、比較的低い圧力降下により流体が多孔質セラミックを通過できるようになります。この方法では、高気孔率、高強度、低密度の多孔質セラミックスを製造できますが、小気孔の閉気孔セラミックスを調製することは難しく、気孔の形状はテンプレートによって制限されます。

直接発泡法は、まずセラミック懸濁液を安定化させて乾燥させ、その後焼結して固化した構造を得る方法です。その利点は、調製された材料が強力な細孔構造を持ち、欠陥が少ないという事実にあります。機械的撹拌または発泡剤の添加によって懸濁液にガスが導入され、細かく安定した泡が形成され、その後乾燥および焼結されて多孔質セラミックスが得られます。この方法は工業化が容易で、開放型または閉鎖型の気孔構造と高い多孔度を持つ多孔質セラミックスを製造できます。したがって、セラミック懸濁液中の気泡を安定させることが重要です。現在、最も一般的に使用されている安定化方法は、界面活性剤を添加して気液界面のエネルギーを低減し、それによって反応条件をある程度制御することです。

多孔質セラミックスは優れた性能を有し、多くの分野で広く使用されています

多孔質材料なので、通常のセラミック材料よりも質量が軽いことは当然想像できます。内部に多数の細孔構造が導入されているため、音波や熱がセラミックに伝導された後、その多孔質構造がエネルギーを分散し、それによって吸音と断熱の目的を達成します。多孔質セラミックスは、セラミックス材料の優れた機械的特性と吸音性、断熱性を兼ね備えているため、高層ビルやトンネル、映画館など、遮音性が求められる場所でも使用できます。

多孔質セラミックスの熱伝達の模式図：

(a) ランダムに配置された多孔質微細構造と (b) 熱流に対して垂直な閉じたチャネル

（画像出典：参考資料2）

材料には細孔がたくさんあるため、多孔質セラミックはかなりの表面積を持ち、ガス吸着と触媒作用に自然な利点をもたらします。セラミック素材自体の耐熱性が高いため、高温の排ガス浄化装置や下水処理装置に使用すると便利です。例えば、ディーゼルエンジンから排出される黒煙はろ過されるだけでなく、触媒によってCO、NOX、CnHmなどのガスを無毒のCO2、N2、H2Oなどに変換し、環境保護に貢献します。 [3]

それだけでなく、人工骨、人工関節など、従来のバイオセラミックスをベースに開発された多孔質バイオセラミックス。メッシュ型多孔質セラミックスは、人体の海綿骨とほぼ同じ3次元ネットワーク構造を持っています。この多孔質のネットワーク構造により、骨組織が孔内に成長し、インプラントと生体間のより安全な固定が実現します。ほとんどの金属材料よりも生体適合性が高く、物理的・化学的特性がより安定しており、毒性の副作用もないため、骨移植を必要とする患者にとって優れた代替手段となります。近年、多孔質バイオセラミックスは無機バイオマテリアルの研究でも注目の話題となっています。 [3,4]

多孔質セラミック吸音パネル（a）、セラミックキャリア自動車排気ガス浄化装置（b）、ジルコニアセラミック義歯（c）、骨修復用多孔質セラミック（d）

(画像出典: 参考文献 5、6、3D ScienceValley)

多孔質セラミックスの威力は、これにとどまりません。複雑な内部構造により天然の絶縁体となり、電磁波シールド材として使用できます。さらに、安定性と耐久性に優れているため、マイクロ電気機械システムとしても広く応用されています。人間の活動を検知するセンサーとして、手首や靴の裏など身体に装着することができ、人々の役に立つようになります。 [7]

科学技術のさらなる発展に伴い、多孔質セラミック材料の製造技術と性能も着実に進歩しており、その発展は上昇傾向にあります。将来的には、微細構造と気孔サイズの精密制御により、より複雑な気孔構造と理想的な多孔度を持つ多孔質セラミック材料が開発され、長期的にはその応用がより経済的、効率的、信頼性の高いものとなるでしょう。その優れた性能は、私たちの生活のあらゆる場所できっと輝きを放つことでしょう。多孔質セラミックスには大きな可能性があります！

参考文献:

[1] 多孔質セラミックスの製造方法と研究状況

[2] Hammel EC、Ighodaro OLR、Okoli O I.先進多孔質セラミックスの加工と特性：応用に基づくレビュー[J]。セラミックスインターナショナル、2014、40(10):15351-15370。

[3] 多孔質セラミック材料の8つの用途の簡単な分析

[4] 朱新文、蒋東良、譚寿紅。多孔質セラミックスの製造、特性および応用：（II）多孔質セラミックスの構造、特性および応用[J]。ジャーナルオブセラミックス、2003、024(002):85-91。

[5] 多孔質吸音セラミックス：遮音・騒音低減のための新しいタイプの材料

[6] 多孔質セラミックスの製造技術と応用のまとめ

[7] Chen Y、Wang N、Ola O、他。多孔質セラミックス：重量は軽いがエネルギー・環境技術では重い[J]。材料科学と工学：R：レポート、2021、143：100589。