「多孔質ファインセラミックス」の産業技術の系統化
Historical Development of Porous Fine Ceramics

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金野 正幸 Masayuki Kaneno■ 要旨
ファインセラミックスは電子・半導体、情報・通信、環境・エネルギー、自動車、医療・バイオなど現代の重点戦略分野の産業基盤を支える必須材料である。日本のファインセラミックス産業は生産額2兆円を超え、生産量、技術とも世界をリードしている。このことが、我が国の先端産業分野での高い競争力を可能にしているといっても過言でない。
ファインセラミックスは、材料、形状、用途、製法とも極めて広範囲にわたるため、今回の調査の対象を多孔質ファインセラミックスに絞った。主な理由は、多孔質ファインセラミックスは、近年の緊急な課題である地球環境問題に対応した材料として最も多く用いられているためである。
セラミックスの歴史は古く、瀬戸焼、有田焼などに始まる従来の陶磁器を中心とした伝統的セラミックス技術を継承して、近年のファインセラミックスへ進歩発展した。本調査ではこれらファインセラミックスの技術発展の経緯と産業の現状を世界と比較して概観した。ファインセラミックスが日米欧各国で組織的に開発着手されたのはわずか40年前のことであり、産業としての歴史は30年弱である。その間に我が国は上記の伝統的な技術継承、
産官学の国家プロジェクト、メーカー間の高レベルの競争などにより、技術、生産量とも世界の頂点に立つことが可能となった。多孔質ファインセラミックスの技術発展と機能については、多孔質の構造と製造法・用途を中心に調査し、代表的な用途として、生産量が多く、社会的な影響力の大きい自動車排気ガス浄化用触媒担体（ハニカム）、ディーゼル自動車・エンジンから排出される黒鉛微粒子浄化用ディーゼル・パティキュレート・フィル
ター（DPF）、一般用途のセラミックフィルターの3用途を取り上げ、製造技術の開発史、事業化に到った経緯を調査・報告した。ハニカムは、今までに陶磁器製造技術で培ったセラミック焼成技術と新たに我が国独自に開発した低膨張材料と押出し製造法をコア・テクノロジーとして開発・事業化したものであり、現在では世界の約50％を生産している。DPFは、ハニカムで開発された押出し製造法とDPFに要求される性能の材料開発成功に基づき世界で初めて事業化したものであり、現在では世界の約80％以上を我が国が生産している（海外工場生産分含む）といわれる。また、一般用途のセラミックフィルターは日本では戦前から下水処理の用途に広く用いられていたが、近年ではさらに高性能フィルターとしての開発が行われている。
多孔質を含むファインセラミックス産業が本格的に開発されてから約40年の間に、日本が世界をリードするまでに到った要因は、伝統的セラミックス技術の継承、民生用を対象とした国家プロジェクトなど産官学の連携、開発が旺盛な複数メーカーの競争、優れた品質管理・生産管理等である。しかし、近年の生産工場及び開発部署の海外移転に伴う国内技術の空洞化、ナノテクノロジーに代表される海外の大規模な国家プロジェクト等により、日本の優位性が脅かされており、今後ともその地位を維持するためには、産官学にわたるより一層のたゆまぬ開発努力が要求される。

■ Abstract
Fine ceramics is an essential material for present strategic industry, including electronics, semiconductors,
information, telecommunication, environment, energy, automobile, medical, bioindustry and so on. Annual
production of Japanese fine ceramic industry exceeds 2000 billion yen and Japan leads the world both in production and technology in this field. These fact enables the Japanese strong power in the frontier industry.
Since fine ceramics is broadened in extreme wide ranges in material, shape, application field and manufacturing method, the target of this survey is focused on porous fine ceramics. Because porous fine ceramics isused widely as a material corresponding to the global environmental problem which is the urgent issue.
Ceramics has a long history. Traditional ceramics representing by Seto and Arita wares have progressedand expanded into modern fine ceramics. This research surveys the development history and industrial situation of fine ceramics, comparing to the world.
In Japan, US and Europe, fine ceramics have undertook research and development only in 40 years and its
industrial history is less than 30 years. In the meantime, Japan have reached to the top in the world both inproduction and technology by inheriting the above traditional ceramic technology, continuing the national project including industry, government and academy, and the high level competition between ceramic manufactures. Concerning the technological progress and property of porous ceramics, the structure, manufacturingmethod and application field are mainly surveyed. As typical applications of porous fine ceramics, a ceramic
catalyst carrier for purifying automotive exhaust gas (honeycomb structure), diesel particulate filter (DPF)
and ceramic filter are taken up, and their development and commercialization history are surveyed and summarized. Honeycomb structured catalyst carrier was developed by advancing the traditional ceramic technology and newly developed low expansion material and extrusion process as the core technology. Nowadays,
approximately 50% of the world are produced in Japan. DPF was firstly developed and commercialized in
the world by utilizing the extrusion process in honeycomb manufacture and developing the material required
to DPF, and approximately 80% of the world are produced in Japan, including overseas factory production. As
an other ceramic filter, a diffusion plate or tube has been used for sewage disposal since prewar periods, andrecently more advanced filter is being developed such as hydrogen filtration and so on.
In 40 years since fine ceramics was developed, Japan could lead the world both in production and technology. The main factors are the inherit of the technology of traditional ceramics, the national project composing government, industry and academy, the high level competition between many ceramic manufacturers,
who are positive in development, and the excellent quality control and production management. However,these Japanese advantage are recently being threatened by the hollowing of domestic technology accompanying with shifting production and developing branch overseas, foreign large projects such as nano-technology and so on. In order to maintain the Japanese advantages, further continuing and persistent efforts covering government, industry and academy are strongly required.

■ Contents■ Profile

金野 正幸 Masayuki Kaneno

1. はじめに ..............................................................163

国立科学博物館産業技術史資料情報センター主任調査員

2. ファインセラミックスの概要 ...........................164
3. ファインセラミックスの技術発展と高機能化...168

昭和42年 3月
昭和42年 4月

平成 2 年 6月
平成 6 年 6月
平成 9 年 9月
平成14年 9月
平成16年 9月
平成18年 4月
平成19年 4月

東京大学工学部工業化学科大学院修士課程卒業
日本ガイシ株式会社入社
中央研究所にて構造用セラミックス材料の研究開
発に従事
環境装置事業部開発部長
研究開発本部開発企画部長
社団法人日本ファインセラミックス協会に出向
広報部長
同協会事務局長
財団法人中小企業基盤整備機構関東支部
チーフアドバイザー
愛知県環境部資源循環推進センター
コーデイネーター
国立科学博物館産業技術史資料情報センター
主任調査員

4. 多孔質ファインセラミックス ...........................183
5. 自動車排ガス浄化用触媒担体（ハニカム）......188
6. ディーゼル・パティキュレート・フィルター（DPF）.................................................................195
7. セラミックフィルター .......................................200
8. 多孔質ファインセラミックス技術の系統化 ....204
9. 考察及びまとめ...................................................206
多孔質ファインセラミックス登録候補一覧 .........208

1 はじめに
ファインセラミックスは電子・半導体、情報・通信、

多孔質ファインセラミックスは、近年の緊急な課題で環境・エネルギー、自動車、医療・バイオなど現代のある地球環境問題に対応した材料として最も多く用い

重点戦略分野の産業基盤を支える必須材料である。日られているためである。

本のファインセラミックス産業は生産量、技術とも世本調査報告では、第2章でセラミックスの歴史及び界をリードしている。このことが、我が国の先端産業

従来の伝統的セラミックスからファインセラミックス分野での高い競争力を可能にしているといっても過言へ進歩発展した経緯を述べ、第3章ではファインセラ

でない。近年の我が国の先端産業の進歩発展は欧米のミックスの技術発展と産業の現状を世界と比較して概基盤技術に依存していると言われてきたが、ファイン観した。第4章では多孔質ファインセラミックスの技

セラミックスの分野では、我が国から多くのシーズが術発展と機能について、多孔質の構造と製造法・用途発信している。その理由として、我が国には伝統的セを中心に述べ、第5章以降では多孔質ファインセラミ

ラミックスである陶磁器の産地に世界的に優れた技術

ックスの代表的な用途として、生産量が多く、社会的と業績を持つ有力なセラミックス専業メーカーが数多な影響力の大きい自動車排気ガス浄化用触媒担体（ハく存在することが挙げられる。これらの地区にはメーニカム）、ディーゼル自動車・エンジンから排出されカーの他にも公的研究機関、大学研究機関など質量とる黒鉛微粒子浄化用ディーゼル・パティキュレート・

も充実している。即ち、ファインセラミックス分野でフィルター（DPF）、一般用途のセラミックフィルタ

は、過去からの永年にわたる企業及び周辺の産官学にーの3用途を取り上げ、製造技術の開発史、事業化にわたる関係者の努力が高い技術力、競争力をもたらし到った経緯を系統的に調査し、第8章では技術の系統たといえる。

化を行うとともに、第9章で考察とまとめを、最後にファインセラミックスは、材料、形状、用途、製法とも極めて広範囲にわたるため、今回の調査の対象を関連資料の所在確認を行い、登録資料候補を選定することとした。

多孔質ファインセラミックスに絞った。主な理由は、「多孔質ファインセラミックス」の産業技術の系統化

163

2 ファインセラミックスの概要である。土器は成形加工しやすい利点を持つが、強度、2.1 セラミックスの歴史

吸水性に問題があり、BC3000年頃、エジプトにおいてうわぐすり（釉薬）を使った陶器の発明により吸水

人類が最初に用いた材料は石器であった。旧石器時性の向上が図られた。さらに、BC2000年頃には同じ

代には採集・狩猟が生業であり、打製石器が用いられ、エジプトで、灰釉を用いた陶器も作られ、釉薬に添加

その主な材料は黒曜石やフリントであった。新石器時物を加えることにより陶器の彩色も可能となった。10代になると石器そのものが小型化していく。次に磨製

世紀頃になると焼結の際に長石質を混入し、磁器が発石器が登場するが、これは打製石器をさらに研磨した明される。磁器は、日本では有田で1616年より、ドイ

もので、砥石により仕上げられている。この時代になツにおいてはマイセンで1709年より、製造されること

ると、生活文化も農耕へと変化し、利用範囲も石杵やになる。いわゆる有田焼、マイセンポーセレンである。

石皿などへと広がっていった。しかし、石器は成形性

図2.1、2.2、2.4に代表的な土器、陶器、磁器を示す 2）。

に欠ける等の難点があり、容器（うつわ）として利用し

これら土器、陶器、磁器および純度のやや高い粘土をにくいため、青銅器、鉄器に取って代わられていった1 ）。

良く焼き固めたたく器（図2.3）などを総称して陶磁石器時代の中ごろ、人類は粘土をツボ状に成形し、器とよばれる。表2.1に陶磁器の種類と特徴を示した3）。

火を加えて容器として使えるようにした。これが土器

粘土を混練して成形し、低温（800℃前後）で焼いて作った素焼き状の容器である。縄文式
土器、弥生式土器、紀元前6000年中近東出土品などがある。現在のものとしては、赤褐色の植木鉢や赤レンガ、こんろ、濾水器などが
ある。
図2.1

土器

純度のやや高い粘土を原料とし、よく焼き締めた吸水性のない焼き物である。備前焼、信楽焼などがある。現在のものとしては、陶管や舗道レンガ、高級鉢、茶器などに使われて
いる。

図2.3

164

たく器

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.12 2008.March

土器より高温（1000−1250℃）で焼成されるが、吸水性があり、釉薬を施して使用される焼きものである。須恵器、楽焼、Maiolica,
Delftwareなどがある。現在のものとしては、茶器や食器、花器、瓦など幅広く使われている。

図2.2

陶器

純度の高い粘土（または陶石）に珪石、長石を混合、成形、焼成し、よく焼き締めた白色の焼きものである。色彩の豊かな釉薬が施される。隋、唐といった中国朝廷時
代（7,8世紀）に発展し、世界に広まった。景徳鎮、有田焼、瀬戸焼などがある。現在のものとしては、食器類や碍子、美術工芸品、外装タイルなど幅広く使われている。
図2.4

磁器

表2.1

陶磁器の種類と特徴

その後、加工性、耐熱性、耐食性、信頼性、その他

インセラミックスとしては、第2次世界大戦後の冷戦

多様な要求に応える優れた材料としてプラスチック、で、米国がレアメタルの確保に危機感を抱き、特殊鋼

鉄系、非鉄系金属が開発される。

の代替材として新耐熱材料サーメットを開発したこと

19世紀に入ると、陶磁器の電気絶縁性、化学的安定に端を発すると言われている。

性が注目され、一部に実用化されるが、要求される条近年におけるファインセラミックスの技術発展史を件も次第に厳しくなり、既存材料では要求に応えるこ

表2.2に示すが4）、1940年代まではドイツを中心にヨーとが不可能となってきた。そのため、新素材が必要とロッパにおける研究が盛んであったが、第2次大戦後なり、精製された合成原料や人工原料が使用されるこの1950年代から活発化した研究開発においては、むしとになる。このようなセラミックスの変遷は、岩石をろ日本や米国の方が熱心である。電磁気分野では、第加工していた時代を第1次石器時代と呼び、天然資源

2次大戦後に発見されたフェライトや強誘電性のチタの粘土、鉱物、岩石を原料としてロクロや鋳込みによン酸バリウム（チタバリ）の機能材料が、トランジス

る成形を施し、焼き固めていた時代を第2次石器時代

ター発明以後の1950-1970年代にエレクトロニクスのと呼び、現在の、精製された高純度原料を使用して制発達とともに、磁性体、圧電体、コンデンサーとして御された製造工程で得られた高性能セラミックス、即応用が進んだ。また1950年代から進められていたガス

ちファインセラミックスの時代を第3次石器時代と称タービンへのセラミックスの応用は、金属より優れたしている。縄文土器、弥生土器などは第1次石器時代

耐熱性による熱効率の向上が期待されるため、1970年

であり、陶磁器、耐火物（レンガ）、ガラス、セメン

代の石油ショック以降各国とも国家プロジェクトとしト、石膏などは第2次石器時代の代表的な製品である。

て力を入れていた。ガスタービンへの応用は信頼性そ

なお、粘土、鉱物、岩石などを焼き固めたものを、ギの他の理由で実現しなかったが、その結果、得られた

リシャ語で「Keramos」といい、これがセラミックス

ファインセラミックスに関する基盤技術が、著しく進（Ceramics）の語源となっている。

歩発展し、その後の自動車部品などへの用途などに開1930年前後から、セラミックスの電磁気的特性が次花している。

第に明らかになり、これを利用した機能性ファインセ
ラミックスは、第2次世界大戦以前から製造・利用され始めていた。強度や耐熱性を利用する構造用のファ「多孔質ファインセラミックス」の産業技術の系統化

165

表2.2

ファインセラミックスの近代史

このようにして現在では、ファインセラミックスの……等がある。経済産業省によると、「ファインセラ

持つ様々な機能を生かして電子材料や構造材料を初めミックス」は次のように定義付けられている。

として広く使われており、近年では生体材料、光触媒、「セラミックスのもつ種々の機能のうち、特定の機さらにはナノテクノロジーを使った新しい試みも活発

能に着目して、それを最大限に発揮するよう、精製・に行われている。

調整された原料を用い、制御された化学組成をもち、さらに将来は、セラミックスの長所を生かし、欠点

材料の微細組織・形態などを制御して製造加工されたを補うために金属やプラスチックなどの他材料との複合目的的な、主として多数の結晶粒子が結合した微細合化の方向も検討されるものと思われる。

構造をもつ無機材料」。
図2.5に伝統的セラミックスとファインセラミック

2.2 ファインセラミックスとはスを比較した模式図を示した5）。また、両者の微細構造を比較するため、伝統的セラミックスの代表例とし「ファインセラミックス（Fine Ceramics）」とは、て碍子を、ファインセラミックスの代表例として緻密

日本では従来の陶磁器を中心とする「伝統的セラミッ

質焼結アルミナの電子顕微鏡写真を示した6）。磁器質

クス（Traditional Ceramics）」に比較して、機能・特の碍子は、結晶粒子をガラス相が結合した構造で、結性が極めて優れているセラミックスのことを意味す

晶粒子の粒界が不明確なのに対して、緻密質焼結アルる 。 欧 米 で は Advanced Ceramicsあ る い は Highミナはアルミナ結晶が規則正しく結合しており、しか

Performance Ceramics等と呼ばれる。ファイン（Fine）

も結晶粒子の粒界がはっきり観察されるなど、微細構という意味は辞書によると、①品質の優良な、上等な、造が厳しく制御されていることが理解される。

精製した、②立派な、優れた、③微細な、粒の細かい

166

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.12 2008.March図2.5

伝統的セラミックスとファインセラミックスの比較

図2.6

碍子と焼結アルミナの微細構造比較

ファインセラミックスは、原料あるいは製造方法の相違により、多種多様な機能・特性を有し、形態も多結晶焼結体、単結晶、薄膜、繊維（ファイバー）等バ
ラエティーに富んでいる。ファインセラミックスは、
その機能と形態の組み合わせにより、多くの用途が考＜参考資料＞
1）柳田博明「ファイン・セラミックス」（ブルーバックス） p14 （1982）
2）京 セ ラ ： ホ ー ム ペ ー ジ 「 FINE CERAMICSWORLD」

えられ、電磁気的、熱的、機械的、化学的等多くの機

3）愛知県陶磁資料館のパンフレット

能を利用して、日本の戦略産業を支える基盤材料とし

4）通産省編「ファインセラミックスビジョン」p99ての位置を確保している。

（1990）
5）通産省ファインセラミックス室編「ファインセラ
ミックス」 p4 （1987）
6）日本ガイシ研究資料より抜粋「多孔質ファインセラミックス」の産業技術の系統化

167

3 ファインセラミックスの技術発展と高機能化
わが国の近年の先端産業の進歩発展は欧米のシーズ

ンセラミックス（当時はニューセラミックスといわれた）に依存してきたと言われてきたが、ファインセラミッ

として多くの酸化物、非酸化物が登場し、日欧米を中心

クス分野ではフェライト、誘電体、バリスター、炭に活発な開発競争が進められた。そのような年代に、窒素・炭化珪素繊維、窒化物（窒化ケイ素、窒化アルミ、炭化ケイ素化アルミニウム（AlN）、窒化ケイ素（Si3N4）

ニウム、サイアロン）など、わが国から多くのシーズ（SiC）、サイアロン（Sialon）などの合成原料である非酸が発信されている。このように、ファインセラミック化物が新たに登場し、新材料として優れた熱的、機械的、スはわが国が世界をリードする分野であるが、このこ

化学的性質などが応用された。

とは、わが国には京セラ、村田製作所、TDK、日本ガ

米国では、1971年に窒化ケイ素（Si3N4）、炭化ケイ素イシ、日本特殊陶業、ノリタケ、INAX、TOTO等世（SiC）などのファインセラミックスを自動車用ならびに界的に優れた技術と業績を持つファインセラミックス

発電用のガスタービン部材に応用し、大幅な省エネル

専業メーカーが数多く存在することからも明らかであギーを図る試みが大規模な国家プロジェクトとして開る。すなわち、ファインセラミックス分野では、過去始された。ドイツでも1973年に同様なプロジェクトが開からの永年にわたる企業及び周辺の関係者の努力が高始された。わが国では、1978年にムーンライト計画「高い競争力を持つ技術力・産業力を作り出したというこ

効率ガスタービン研究開発」の一部として「セラミッとができる。

ク材料の適用可能性」が開始された。しかし、当時のファインセラミックスの技術レベルはガスタービンに3.1 ファインセラミックスの技術発展の歴史

適用できるレベルに到達していなかったことから、個々の要素技術に特化した研究開発プロジェクトが必

ファインセラミックスの技術発展の歴史を展望する

要とのことで、1981年に「次世代ファインセラミックス」

1）と 、フェライトの発明が1930年、アルミナが点火プラ

プロジェクトが開始され、その後「シナジーセラミッ

グとして実用化されたのが1931年、誘電体の発明が1940

クス」（1996−2003）と続き、今日に至っている。

年代前半、透光性アルミナの開発が1950年代である。この1950年代を機に、新しいセラミックスすなわちファイ

表3.1

168

表3.1にファインセラミックスの歴史的な変化と国家プロジェクトの役割を記す 2）。

ファインセラミックスの歴史的な変化と国家プロジェクトの役割

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.12 2008.March

製造工程毎の進歩発展は後述するが、ファインセラ

3.2 ファインセラミックスの製造技術進歩の概要

ミックスは高温処理することが多く、エネルギー消費が多い。最近では、省エネルギー、低コスト化の目的

従来の酸化物中心の伝統的なセラミックスに比べ、で、焼結等熱処理の低温化を目指す傾向が強い。また、ファインセラミックスは窒化ケイ素、炭化ケイ素、サ

環境対策も重要な課題である。さらに、より緻密化・

イアロン等合成原料である非酸化物の登場により、材高性能化を目指して焼結雰囲気の多様化（真空、雰囲

料の種類が増えるとともに、製造技術の進歩があり、

気加圧、ホットプレス、ホットアイソスタティックプ

その機能が飛躍的に拡大した。特に、従来のセラミッ

レス、特定ガス雰囲気等）も行われている。

クスが数十μm程度の粒子を焼結して作られていたの

さらに、これら焼結体の非破壊検査法、特性測定技に対して、ファインセラミックスでは焼結体の粒子で術の進歩が、品質の信頼性向上に大きく貢献しており、も数μ程度まで小さくなったこと、寸法精度が向上しファインセラミックスが多くの産業分野で安心して使たこと、薄膜、繊維状、微粒子などが製造可能になっ用できる中核材料として応用されることを可能にしてたこと、多孔体も細孔径制御が精密に行われるようにいる。

なったことなど、ファインセラミックスの技術範囲が2）単結晶広くなったことが特徴である。同じ材料でも形態が異単結晶は多結晶焼結体に比べ、均質で信頼性が高い

なれば、機能が異なり、従って用途も異なり、拡大す

が、所望の形状に結晶成長させにくいこと、加工しにる。ファインセラミックス製造に必須な要素技術としくいこと、高弾性のため極めて脆性であることなどがては、材料技術、プロセス技術、設計技術、生産技術、欠点である。これらの欠点を克服するため、多くの単ソフトウェア技術、分析評価技術などが挙げられる。

結晶成長法が開発され、例えばEFG法（edge-defined-

具体的には、材料技術では優れた特性をもつ材料開発

film-growth）がある。これは種子結晶を引き上げる際とともに用途に応じて選択可能な豊富な材料バリエーに、毛管現象を用い、毛管の形状で結晶の形状を規定

ションが、プロセス技術では微細構造を制御する技術、するものである。毛管形状としては、テープ、パイプ、最終製品に近い成形体を得るニアネット成形技術や大フィラメント等がある。アルミナの場合では、テープ型部品などの成形技術、コストや環境に配慮した焼成状のものはSOSデバイス（Silicon On Sapphire）の基技術、また機械部品として厳しい寸法精度が要求され板として、パイプ状のものは高圧ナトリウムランプのる精密加工技術が、設計技術ではセラミックスの特徴

発光管として、フィラメント状のものは耐熱断熱材とを生かし、脆性などの欠点をカバーする設計法の開発

して応用され、優れた機能を発揮している。また水晶が、生産技術では高精度部品の低コスト大量生産技術（単結晶SiO 2）は精密な圧電素子として、単結晶シリが、ソフトウェア技術では脆性材料のファインセラミ

コンは半導体素子として大量に用いられている。

ックスを応力集中の少ない利用法の開発が、分析評価

3）薄膜

技術では例えば非破壊検査技術や高精度測定技術の開発による信頼性向上が求められる。

現代の電子技術革新の中核となっている集積回路
は、平面上にパターンを形成させて作るが、その基盤

ファインセラミックスを形態で分類すると、焼結体、となっているのが薄膜技術である。電磁気的機能のフ単結晶、薄膜、多孔体、繊維（ファイバー）などに大ァインセラミックスは、集積回路と複合化（ハイブリ

別される。それぞれについて製造技術の発展の概要をッド）させて使用するとき、薄膜形状が望ましい。電述べる。

子回路がますます小型化の方向に進んでいることも、

1）焼結体

薄膜化を促進している。また材料の特性は表面近くの

従来の伝統的セラミックスに対して、ファインセラ
ミックスは、次の点で大きく異なる。
①原料が高純度で微粒子である、構造に起因していることが多く、これらの特性を活用
して触媒、センサー、熱電放射などに応用される。
薄膜の製造法は、気相を媒介するものが多い。特に、②焼結助剤を添加しないか、添加しても焼結体本来のCVD（Chemical Vapor Deposition：化学蒸気気相法）持つ優れた特性を損なわないような適切な助剤をでとスパッタリング法がよく用いられる。CVD法は、目きるだけ少量用いる、的とするセラミック膜の組成を含む反応ガス（気相）③緻密化及び寸法精度、形状制御のための各種の成形をキャリアガスにより反応管に移送し、基板上で反応法、焼成法、仕上げ加工法が多数開発され、要求されガスを分解析出させて膜をつくるものである。この方

る性能に応じた製法が適用されている、点などである。

法により、アルミナ、窒化ケイ素、炭化ケイ素、窒化「多孔質ファインセラミックス」の産業技術の系統化

169アルミニウムなどの薄膜が作られている。反応ガスと子の選択により細孔径を制御できる。一般的にセラミしては塩化物がよく用いられ、キャリアガスとしては

ックフィルターと呼ばれるものの多くはこの方法で作

不活性なアルゴン、窒素などが用いられる。生成する

成されている。

薄膜は緻密で基板との密着性も良い。一方、スパッタリング法は膜を構成する組成をイオンのターゲットと3.3 ファインセラミックスの高機能化

し、気化させた物質を対極の基板上に析出させる。この製法はアルミナ、ジルコニア等の高融点物質の膜をファインセラミックスは電子・半導体、情報・通信、作成可能なことが特徴である。

航空・宇宙、自動車・船舶、医療・バイオ、環境・エ

4）多孔体

ネルギー等多くの分野の産業基盤を支える重要な中核

ファインセラミックスはそれぞれ形態に応じた機能材料となっており、その用途は極めて広範囲に及ぶ。

を示すが、機能の中には濾過、透過分離、吸着、イオ

ファインセラミックの応用分野のツリーを図3.1 3）に、ン交換など材料の空隙、空間がその役割を担うものが分野別応用製品を表3.2に示す。

ある。多孔体の機能には、多孔体そのものの持つ機能

ファインセラミックスの分野別応用は、電磁気的特と、多孔体の細孔径が精密に制御されることによる機性を利用した分野が最大であるが、近年セラミックス能がある。前者の機能は、軽量化、断熱、吸音、吸着の持つ優れた他の特性を活用して、応用分野が広範囲などであり、後者の機能は濾過（選択的透過）、分離、に拡大されており、例えば耐熱性、耐腐食性、耐熱衝

選択的吸着、選択的イオン交換等である。前者の多孔撃性等を利用した自動車分野への応用 4）（表3.3）、生体

体は、一般のセラミックス製造技術によって比較的容親和性、担体性などを利用した人工骨、人工歯根、人

易に作ることができるが、後者の多孔体は細孔径を制工関節、触媒担体などバイオ・医療・化学分野への適御する技術が必要である。細孔径制御の技術は、細孔用、光照射による活性酸素を利用した光触媒の環境分径の大きさによって異なる。第1の制御方法は、結晶野への応用などが増加しており、今後も更なる応用分構造が本質的に空隙を含有するものであり、ゼオライ

野の拡大が期待されている。

トが代表例である。細孔径は結晶構造に固有な数値によってきまり、細孔径を変化させるには、結晶構造の異なるゼオライトを用いる。この方法で数Åから数十Åの範囲の材料を選択できる。第2の細孔径制御方法
は、水和物、炭化塩などの熱分解生成物を得る方法であり、数十Åから数百Åの径を持つ細孔が得られる。
触媒担体として用いられるが、細孔径を均一に制御することは困難である。第3の方法は、ほうけい酸ガラ
スからのほう酸分の選択抽出である。ほうけい酸ガラ
スはけい酸に富む部分とほう酸に富む部分とが互いに三次元的に連続する形で分相している。この分相の大きさは熱処理条件によって異なるので、ほう酸分が抽出された後に生成する細孔径を制御することができることになる。この方法で、細孔径を15Å―2500Åに制御することが可能で、こうして得られた多孔体は固定化酵素担体、高温腐食性ガスのフィルターなどに用いられる。第4の方法は、押し出し成形による多チャン
ネルのセラミックフィルター製造法である。この方法
は、ハニカム、DPFなど比較的大型のしかも多くの貫通孔を持つものに適した製法であり、数mm程度の大きな貫通孔と表面に現れる数μから数十μ程度の微細な孔の2重構造の細孔構造からなる。
第5の方法は、焼成中にセラミックス粒子の間に生じる空隙をフィルターとして利用するもので、原料粒170

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.12 2008.March

図3.1

ファインセラミックスの応用分野のツリー

表3.2

ファインセラミックスの応用製品

産業分野の景気動向に左右されにくい体質に基づくものと推定される。
表3.4に過去3年間の応用分野別の生産額推移を示す6）。
この表から明らかなように、電磁気・光学用分野がファインセラミックス全体の60％以上を占めているが、その割合は徐々に減少しつつあり、他分野が着実に増加しつつある。
表3.5は代表的なファインセラミックス製品別の世界市場規模と日系メーカーのシェアを示したものである7）。ファインセラミックス産業のほとんどの分野で日系メーカーが50％以上のシェアを占めており、特に電子部品のシェアが極めて高いのが特徴である。

表3.3 実用化された自動車エンジン用セラミックス部品の例

図3.2 ファインセラミックス部材の生産額推移
表3.4

ファインセラミックスの分野別生産額推移

表3.5 製品別世界市場規模と日系メーカーシェア

3.4 ファインセラミックスの生産量の推移
ファインセラミックスの生産額は、昭和57年以降毎
年（社）日本ファインセラミックス協会で調査集約されている。その生産額推移を図3.2に示す 5）。
これによると、平均すれば20年以上の長期にわたりファインセラミックス産業は増加傾向にある。日本経
済の多くの分野が停滞していた時代にもファインセラ
ミックス産業全体は着実に増加傾向にあったことは特筆に値する。これは、ファインセラミックス部材が極めて広範囲な産業分野に応用されているため、一部の「多孔質ファインセラミックス」の産業技術の系統化

171

までの期間が長いファインセラミックス

日本のファインセラミックス産業の強み、弱みのような素材産業に有利であった。しか日本のファインセラミックス産業は、技術、生産額

べ、民生用が主流であり、成果の早期実

3.5

も、日本の国家プロジェクトは欧米に比とも世界をリードしているといわれている。ここでは他産業と比較した場合のファインセラミックス産業の用化に有利であった。
・事業環境：レベルが高く競争力の強いユーザが国内

特徴、及び海外ファインセラミックス産業と比較したにある。

場合の日本ファインセラミックス産業の強み、弱みに

ファインセラミックスの製造に必要な原ついて述べる。

料、設備、金型などの部品メーカーや加工メーカーが国内に多くあり、特に技術

3-5-1

国内における他産業との比較に優れた中小メーカーが下支えしている。

a）優位性

高品質のユーティリティの安定供給が得

・日本古来の伝統的セラミックスの技術・ノウハウをられる。

継承し、その技術的高度化が比較的容易である、・技 術 力 ：ノウハウの蓄積があり、製造技術力、生・資源が国内に豊富にある、産技術力とも優れる。

・環境面で地球にやさしい材料である、

品質管理、工程管理が厳しく行われてお・ファインセラミックスは他材料に比べて、劣化が少り、製品への信頼性向上に貢献している。

なく、長寿命のため、耐久性に優れる、特性向上を図る材料開発力、高品質で高・研究機関・企業数が多く、国全体の技術ポテンシャ

歩留りを確保するプロセス技術力、短期ルが高い、間で商品化する製品開発力が強い。

・ISOのファインセラミックス分科会であるTC206を日・人的資源：大学、工業高校に窯業（セラミックス）

本主導で立ち上げ、事務局である国際幹事を発足以

専攻の学科があり、専門教育を受けた人

来、日本が務めるなど国際標準化への貢献が大きい、材など従業員のレベルが高く、経験豊かb） 課題な技能者も多いなど人材の層が厚い。特・研究開発・商品化に費用と時間がかかる、に、古くからの伝統的セラミックス産地・過去の実績が少ないため、素材材料特性と実用部品の高校には、必ず窯業工学科があり、優特性の対応が取りにくい、秀な技能者養成に効果があった。

・原材料、製品の標準化が遅れている（原料の種類が企業に対する帰属意識が強く、研究開発

多く、非効率、高コスト）、から現場への人的資源の移動が比較的ス

・材料データの系統的蓄積が不足している、・設計基準が未整備、ムースに行われる。
・経営戦略：長期的視点で経営判断するため、開発に・金属、プラスチックに比べて、製造工程が複雑で、長期間要する素材産業のセラミックスに多く、価格が相対的に高い、優位である。

・歴史が新しい故、信頼性が乏しいイメージがある、

将来性ある新事業として事業化への意欲・一般に硬く、脆いため加工性が悪く、高コストの原が強い。

因の1つとなっている、・製・成形、焼成等で装置の大型化が困難又は高コストで、大物製品には不向き、

品：機能に優れ、信頼性が高く、他国に比べ価格も相対的に安い。

②弱み

・工業製品としての認知度が低く、信頼性に乏しい、・研究開発：基礎技術より応用技術を重視する傾向があるため、新事業を創出するような基盤

3-5-2

海外のファインセラミックス産業との比較

日本のファインセラミックス産業を海外のそれと比8）競争の激しい民生用が中心であるため、較した場合の強み、弱みは以下の通りである 。

企業がニーズ情報を出したがらないた①

め、産官学の連携が必ずしもスムースに

強み

・国の支援：産官学連携および国の研究開発プロジェ
クトが長期間継続していたため、実用化

172

的・革新的な技術開発に弱い。

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.12 2008.March

行かない。
市場が民需中心で宇宙・軍用の特殊分野

が少なく、その分野からの革新的技術開れている 9）。

発へのインセンテイブが少ない。

・微粒子であること、・事業環境：人件費及びユーティリティが高く、製品・人・粒子の凝集がないこと、コストも高くなる。

・粒子分布が狭いこと（粒子径がそろっていること）

バイオ関連では認証制度が厳しく、産業・異方性の小さい粒子形状（球状）であること、の発展が阻害されやすい。

・化学的に高純度であること、

材：学生の理系離れ、モノ作りに対する魅力の

これらの特性の必要性は焼結方法によっても異なる

不足により、技術者・技能者の人材が不足

が、難焼結性の窒化物や炭化物の場合には、特に重要気味、特に将来は大問題と危惧される。

である。さらに高密度の焼結体を得るためには、高密ファインセラミックスは、金属、プラスチックと異度の成形体を得ることが好ましく、そのため成形性のなり、焼成という焼き固める工程により収縮するため、良いことも必要条件である。ファインセラミックス製

優れた特性をもちながら寸法精度や特性のバラツキな

造用の原料粉末は、上記の条件を満足すべく気相、液どが問題となり、永年実用化が遅れていた。また、金相、固相の反応により合成され、必要により精製され属、プラスチックのように溶融し、型に入れるというる。粒度の微粉化に関しては、大きな粒子を粉砕する

ことができないため、複雑な形状のものを作るのが困

方法と、最初から微粉末を合成する方法がある。

難であったが、成形技術の進歩により、徐々に複雑な形状のものが作られるようになってきている。

代表的なファインセラミックス粉末について、その合成方法の概要を述べる。
1） 窒化ケイ素（Si3N4）

3.6 ファインセラミックスの製造技術発展

窒化ケイ素はディーゼル自動車のコモンレール、
ターボチャージャーローター等自動車部品及びセラ

ファインセラミックスの製造技術は、基本的には従ミックベアリングなど機械的強度、耐熱性、耐磨耗

来の陶磁器などの伝統的セラミックスの製造技術を高性などが要求される構造用セラミックスとして最も度化したもので、セラミックスメーカー各社が永年培

広く用いられている。窒化ケイ素の主要な国内メーってきた多くの様々な知識・ノウハウの蓄積を基にしカーは、宇部興産、電気化学工業、信越化学工業、たものである。これらの知識・ノウハウを用いてセラ

太平洋セメントである10）。

ミックスメーカー各社が時代の要求する高機能化、高品質化、高信頼性の安価かつ高度化されたセラミック
ス製造プロセスを開発し、日本製造業の中核となる材
本項ではファインセラミックスの製造プロセスを概観し、その中で進歩の著しい製造工程を説明する。図3.3にファインセラミックスの代表的な製造工程を示す。
混練

成形

乾燥

焼成

加工

製品

図3.3 代表的なファインセラミックスの製造工程
3-6-1①金属ケイ素の直接窒化法
窒化ケイ素の合成法として最も一般的な方法であり、金属ケイ素を窒素またはアンモニア気流中で加料を提供することが可能となった。

原料

窒化ケイ素粉末の合成法は次のとおりである。

原料調製技術

原料合成工程熱することにより窒化ケイ素が得られる。
3Si(s) + 2N2(g) →Si3N4(s)または3Si(s) + 4NH3(g) →Si3N4(s)＋6H2
高純度で微細な窒化ケイ素粉末を得るためには、原料の金属ケイ素もできるだけ高純度で微細なものを使用する必要がある。
②シリカの還元窒化法
原料としてシリカと炭素の混合粉末及び窒素ガス（1） 原料合成技術を使用し、シリカを炭素により還元し、窒素ガスをファインセラミックスと伝統的セラミックスとの大き気流中で窒化して窒化ケイ素を得る方法である。

な差異の一つには、天然に産出する原料に人工的な処理をどの程度施しているかにある。それ故に、ファイ
ンセラミックスの研究は、出発原料粉末の合成研究、
微細粉末（ファインパウダー）の研究から始まる、といっても過言でない。

3SiO2(s)＋ 6C(s)＋2N2(g)→Si3N4(s)窒素ガスの代わりにアンモニアガスを使用することもできる。
3SiO2(s)＋6C(s)＋4NH3(g)→Si3N4(s)＋6CO(g)＋6H2(g)

高性能のファインセラミックス焼結体を得るため

この方法は、高純度で微細なシリカ及び炭素粉末に、原料に要求される一般的な特性は次のようにいわを安価に得やすく、またこの反応が吸熱反応である「多孔質ファインセラミックス」の産業技術の系統化

173

ため、温度制御が容易であることから工業的にも有して用いている。

利な方法である。

②金属ケイ素、一酸化ケイ素の炭化法③気相反応法化学気相析出法（Chemical Vapor Deposition） とも呼ばれる方法で、原料ガスを高温で気相反応（分解）させ、粉末のほか、繊維（ウィスカー）、薄膜、バルク、単結晶などの様々な形態の非揮発性反応生成物

SiC(s) または

SiO+ 2C(s) →SiC(s)＋CO(g)③気相反応法ケイ素、炭素を含有するガスを高温で反応させ、炭化ケイ素を気相から粉末として析出させる。

を気相から析出させる製法である。粉末合成法とし

7SiCl4＋C7H8 + 10H2 →'SiC＋28HClては、歴史が浅いが、半導体工業用の各種薄膜製造

SiH4＋CH4 →SiC＋4H2

法としてはすでに確立され、広く利用されている。

CH3SiCl3 →SiC＋3HCl

3SiCl4＋4NH3 →Si3N4＋12HCl

3SiCl4＋6H2 + 2N2 →3SiH4＋4NH3 →Si3N4＋12HCl

Si3N4＋12H2④イミド分解法
四塩化ケイ素（SiCl4）とアンモニア（NH3）から解してSi3N4を得る方法である。
SiCl4＋6NH3 →④有機ポリマーの熱分解法
ポリカルボシランなどの有機ポリマーを1200〜
1500℃の温度で熱分解し、1μ以下のβ-SiC微粉末を得る方法。コストが高く、大量生産には実用的でシリコンイミド（Si(NH) 2）を合成し、これを熱分Si(NH)2＋4NH4Cl

3Si(NH)2(s)→ Si3N4(s)＋2NH3(g)2）炭化ケイ素（SiC）

ない。
3）アルミナ（Al2O3）
アルミナはファインセラミックスの代表的な材料
であり、IC基板、切削工具、高圧ナトリウムランプの発光管（透光性アルミナ）として広く用いられている。アルミナの国内メーカーは、昭和電工、住友

炭化ケイ素は高硬度かつ耐熱性に優れているた

化学、日軽金および出光マテリアルである。アルミ

め、従来から耐火物用及び研削・研磨用材料として

ナ粉末の合成法は、バイヤー法とアンモニウム明ば使用されていたが、近年ディーゼルエンジン排ガス

ん熱分解法が最も一般的である。

浄化用DPFの材料として、最も注目されている。一

①バイヤー法方、電気素子としても、発熱体、アレスタ、バリス

ボーキサイト中の、酸化鉄、酸化チタン、シリカ

タなどに長く使われてきたが、1980年代以降の結晶などの不純物をアルカリ処理により赤泥として分離成長技術の発展に伴い、高温、高線量下で働くバリ

し、析出した水酸化アルミニウムを焼成してAl 2O 3

スタ、青色発光ダイオード、高速ショトキーダイオを得る。この方法で得たアルミナは、純度99.6％以ード、MOS電界効果トランジスタなどにも使われ上で平均粒径40〜100μであり、必要によりさらにるようになった。熱伝導率が高いので、他の半導体微粉砕されて、原料粉末に供される。

の基板としても重宝がられている。炭化ケイ素の国②アンモニア明ばん熱分解法

内主要メーカーは、イビデン、昭和電工、信越化学

アンモニウム明ばん（NH4Al（SO4）2・12H2）を繰

工業、太平洋ランダム、住友大阪セメント、屋久島

り返して再結晶させて得られた精製物を熱分解する

電工、太平洋セメント、フジミインコーポレートで方法。極めて高純度のアルミナが得られる。

ある。炭化ケイ素の主な合成法は次の通りである。

4）ジルコニア（ZrO2）① シリカ還元炭化法によるα-SiCの合成（アチソン

ジルコニアは、高強度、高靭性、イオン伝導性を持つため、炉材などの高温構造体のほか、近年酸素法）
1対の固定電極間に黒鉛粉を棒状に詰め、その周センサーとして多用されている。ジルコニア粉末の囲にケイ石（シリカ）とコークス（炭素）を配合し国内メーカーは、東ソー、東レ、日本電工、住友大

た原料をセットする。これに通電して黒鉛粉のコア

阪セメント、出光マテリアルである。ジルコニア粉部に発生するジュール熱により温度を上昇させ、シ末の主な製造法はジルコニウム塩水溶液（ZrCl 2・リカの還元炭化を促進させ、炭化ケイ素を得る方法

8H 2O）の加水分解及びジルコニウムアルコキシドである。

（Zr(OC2H7)4）の加水分解法である。

SiO2(s)＋3C(s)→SiC(s)＋2CO(g)

黒鉛コアの周囲に円筒状の炭化ケイ素のインゴットが形成され、これを粉砕して、炭化ケイ素原料と174

Si(s)＋C(s) →国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.12 2008.March（2） 粉体処理
ファインセラミックスの機械的性質は、焼結体の結晶粒、粒界、粒界相などの微構造や気孔率ばかりでな

3-6-2

混練工程

く、クラックや、巨大空孔、介在物などの欠陥や残留

混練工程とは、原料と水分、バインダー等を加えて応力などと密接な関係があることが分かっている。焼

充分に「練り」、成形が自在でくっ付き易い混合物と結体の微構造や欠陥は、原料粉末の組成（純度、不純するとともに、成形後は保形性の良い（形状を保つ）

物の種類・含有量）、結晶構造、粒径・粒径分布、粒原料とする工程である。そのため、陶芸やパン作りな

子形状、表面形状（化学的、物理的）などの一次粒子

どのように原料粒子が一つ一つ滑りが良く、かつ粘り特性の影響を強く受ける。それと同時に粒子集合体ののある必要がある。原料に滑りや粘りを出すためには、性質や分散系の性質も重要である。そのため、セラミ

粘土やバインダーが必須である。「練る」工程では、ックス原料は、原料調整としてしばしば粉砕処理が行

混ぜることで、均質に分散させた粘土やバインダー、われる。ファインセラミックスの場合は、サブミクロ

水、その他の原料に力をかけてなじませ、さらに原料

ン領域の微粉砕が必要であり、表3.6のような微粉砕

内の空気を抜いて、成形しやすいように一つの塊（か11）

機により粉砕が行われている 。

たまり）にする。粘土粒子の隙間やバインダーに水が

表3.6入り込み、潤滑油のような働きをして、滑りを出すと微粉砕機と粉砕機構

ともに、水を密着して粘りを出し、粉同士の摩擦力に打ち勝つ力が必要である。練り続けることで原料の硬さや粘り強さが変化するが、製品の成形方法に合わせた硬さと粘り強さのバランスをとるため、微妙な力加減と時間の調整が重要となる。バインダーが入ったセラミックス原料は、練り続けることで粒子同士の滑りやすさは上るがバインダーがズタズタに切られて乾燥後の糊としての性能が落ち、割れてしまう。その対策として、現在では製品の大きさ、形状に応じて餅つき機のような小さなものから、周りから圧力をかけながら2軸の大きな羽根でかき回すものまで使い分けをする工夫が図られている。
図3.4に練る工程の模式図を示した13）。
（3） 造粒ファインセラミックスの製造プロセスにおいては、粉塵の飛散防止、流動性向上（成形性向上・充填密度向上）のため、造粒が行われる。
表3.7に各種造粒法と特徴を示す12）。
表3.7

各種造粒法と特徴

図3.4 「練る」工程の模式図「練る」工程で重要なことは、成形時に型の形状に沿って形を変えられやすいくらい柔らかく、しかも成形後にその形を保持できるくらい硬い土にすることである。この「滑りやすい」と「粘り強い」の相反する特性のバランスが土の優劣を決定するが、数値化が難
しく、従来は職人の触感に頼っていた。最近では、特殊な硬度計や各種のレオロジー測定などで、より科学的な分析が試みられている。

「多孔質ファインセラミックス」の産業技術の系統化

175

3-6-3

成形工程②鋳込み成形

セラミックスの成形には、押出し成形、射出成形、鋳込み成形とはセラミックス原料に水を加えて流動

加圧成形、鋳込み成形など多くの方法があり、製品の性のあるスラリーを作り、それを石膏型等の型に流し

材質、形状、大きさに応じて使い分けられている。

込んで形づくる成形方法である。従来は、スラリーを①押出し成形

石膏型や多孔質のプラスチック型に流し込んだ後、ス押出し成形とは、原料に圧力をかけて金型（口金）

ラリー内の水分を型に吸水させて固める方法が主流でから押し出すことで成形する方法である。断面形状をあった。この成形方法では、吸水量に限界があるため、一定にすることができるので、棒状やパイプ状の製品

厚みのある製品の成形が難しいことや、セラミック粒を作るのに適している。ハニカム、DPF、セラミック

子の密度分布がばらつきやすいため、乾燥や焼成工程

フィルターなど多孔質セラミックスの多くがこの成形で変形が起こりやすく、複雑形状に仕上げるには機械方法で製造されている。押出し成形では、曲がりや切加工が必要になるなど、多くの問題があった。

れ、変形のない成形体を作るために、金型の中を流れ

最近、複雑な形状のセラミックスを、簡単にしかもる原料の速さを一定にすることが重要である。断面形

高精度に成形するために開発されたのが、ゲルキャス状の場所によって原料の流れる速さが異なると断面形ト成形である。これは温度変化や化学変化を利用して状は変形し、成形体は曲がる。その対策として、原料セラミックスラリーを型内で固化する方法である。金の密度、成分、特性を一定にして、製品に合わせた形

型にスラリーを流し込んで、そのまま固められるので、状や材質を選び、それを金型に一定の速さで流すこと、

複雑な形状も型通りに成形でき、密度分布も均一で変これらを満足させて初めて高品質の製品を作ることが形もない優れた成形方法である。図3.6にゲルキャス

14）可能となる。図3.5に押出し成形の模式図を示した 。

ト成形の模式図を示した15）。

図3.6
図3.5

ゲルキャスト成形

押出し成形の模式図③フィルター成膜法
押出し成形の生産性を上げる目的で、早く成形する

フィルター成膜は、異物を取り除くためにフィルタ

ため、押出す圧力を上げると摩擦による温度上昇で原ー層を成膜することで、押出し成形後に焼成したレン料の特性が変化したり、装置や金型の磨耗が激しくなコン状の基材に、水やセラミックス粒子と有機高分子るなどの問題が生じる。また水分量を増やして原料をなどからなるスラリーを流し込むと、基材の内壁にセ

柔らかくすれば速く押し出すことが可能であるが、原

ラミック粒子の一粒一粒を整然と積み上げ、レンコン料が柔らかすぎると成形体の強度が低下し、わずかの状の穴すべてに均一な厚さのフィルター層を作ること力で変形するため、取り扱い中に不良が発生しやすい。

ができる。スラリーに「とろみ」をつけることで、ス

従って押出し成形では、小さい圧力で金型内を流れ

ラリー自身による成膜速度のコントロールが可能とな（流動性）、金型の外ではある程度硬くて変形しにくい

り、均一な成膜が可能となる。図3.7にフィルター成（保形性）原料が理想である。製品の多様化や高度化

膜の模式図を示した16）。

に伴って、より複雑で精密な成形が要求される傾向にあり、既存技術による成形が困難になってきており、原料の性質や金型内の土の流れをよく観察して評価することで、精密な口金の加工や成形に必要な装置を検討し、さらに進化した押出し成形技術の開発が進めら
れている。

176

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.12 2008.Marchたセラミックテープに電極を印刷したものを重ね合わせて焼結し、切断して製品にしている。この製造法では、ある程度の粘性と速乾性を持ったスラリーを作る
ために、トルエンなどの有機化合物を溶剤として用いる場合が多いため、作業環境として好ましくなく、従って有機溶剤を水などに置き換える新しいプロセスが検討されている。
このように成形工程では、原料として柔らかくて成図3.7

フィルター成膜

形しやすく、しかも成形後には保形性の良い粘り強さが要求され、そのためにはバインダーが添加されるた

鋳込み成形、ゲルキャスト成形、フィルター成膜なめ、そのバインダー量の減少、または寒天などの有機

どスラリーを使う成形方法では、スラリーを成形や製バインダーに代替する成形助剤の検討が課題である。

品にとって最適な状態にすることが最も重要である。
このため、原料の粒度配合や水素イオン濃度の調整、

3-6-4

焼成工程

分散剤の添加などを行い、濃度、粘性、粒子の凝集状

焼成工程とは、セラミックスの成形体を加熱するこ態を徹底管理している。ゲルキャスト成形では乾燥、とにより、隣り合う原料粒子が徐々に接着し、粒子間焼成時の収縮に大きく影響する水分を最小限に抑えつのすき間が小さくなると同時に全体が収縮する現象でつ流動性を高め、フィルター成膜では適度な「とろみ」ある。図3.9に焼成の模式図を示した 17）。この現象はをつけている。

「焼き固め」、「焼結」ともいわれ、一般的には焼成温④射出成形

度が高いほど、また原料粒子が小さく、丸く、大きさ

射出成形は一般的にプラスチックの成形に用いられがそろっているほど製品は緻密になり、硬くなる。焼ている。セラミックスに応用する場合には、セラミッ

成工程により、硬度、強度の他にも気孔率、電磁気的ク原料にプラスチックやロウのように高温で溶けて室性質、熱的性質、他材料に対する耐性など様々な製品

温で固まるバインダー（樹脂）を一定の割合で混ぜ、の特性が決定する。温度や時間、雰囲気などの焼成条

高温で液状の原料とした後、型に流し込んで成形し、件を組み合わせて細かく制御し、それぞれの製品に最成形後、焼成の初期にバインダーを除去するものであ

適な特性を作り出す。

る。液状の原料を型に流すため、非常に複雑な形状の

1）焼成工程の3段階成形が可能なこと、また原料の硬化速度が速いことが焼成工程は、図3.8に示すようにAからCにいたる3段特徴である。射出成形に用いるバインダー量はかなり階に分けられる17）。焼成中の成形体内部では図3.8のよ

多く、そのまま焼成すると割れるため、低温で時間をうな現象が起きている18）。

かけてバインダーを分解 （脱脂） する必要がある。
この時に、多量のCO2を発生する問題が指摘されている。このCO2対策の一つに、バインダーとして寒天を用いる試みが検討されている。寒天は水に溶かすことによりバインダーとしての性能を発揮し、しかも極めて少量の添加で成形可能であり、従って工程の短縮と同時にCO2発生量の抑制、さらに寒天の原料が海草と図3.8

焼成体内部の模式図

図3.9

焼成各段階の模式図

いう環境負荷の少ない原料であるという特徴もある。
⑤テープ成形
テープ成形は半導体素子、コンデンサーなど微小電子部品の製造法として最も一般的に用いられている製造法である。流動性のあるスラリー原料をブレードとベルトコンベア状のシートの隙間に通し、シートを一定の速度で送ることで、紙のように薄いテープ状に成形する。シートが連続的に成形できるため、量産性に優れ、多くの微小電子部品に適用されている。得られ「多孔質ファインセラミックス」の産業技術の系統化

177

初めにA段階では、原料素地から水分や成形時に必要なバインダーなどを除去する。それによって原料粒子間の距離が近づき、収縮が起きる。このとき、成形体の表面と内部との温度差や収縮差ができると、切れたり、壊れたりするため、徐々に温度を上げて不良の発生を防ぐ必要がある。最高温度まで温度を上げるB
工程は、製品の特性を決める最も重要な部分である。
より高温にすることで、原料粒子同士が結合し、さらに収縮する。この昇温速度、最高温度、保持時間によって、製品の大きさや気孔率、耐熱性、強度などの特性が決定する。従って、この段階の焼成条件は製品にとって最も影響力が大きく、各社にとって焼成ノウハ
ウの最大のポイントである。最後のC段階は、製品を

図3.10 トンネル窯の流し焚きとリジェネバーナー＋ゾーン制御

冷却する段階で、ここでも原料素地によっては収縮が起きることもあり、注意深くそれぞれの製品に適した降温速度で温度を下げる必要がある。このように焼成

生した燃焼ガスの熱量によって決まる。窯内は上下の工程では、製品に求められる特性を充分に踏まえ、テ

温度差が発生しやすく、燃焼ガスの流れがさらにこのスト炉を使った実験などで最良の温度や昇温速度など

温度差を助長する。このため、温度を自在に制御したの焼成条件を選び出した上で、最適な設備設計を行う

り、温度分布を均一にするには、大量の燃焼ガスを高ことが重要である。

温で排気したり、大量の空気を投入しなければならな

さらに最近では、高温焼成を必要とするセラミック

い。ハニカムなどファインセラミックス製品が高度化

スの製造において、低環境負荷を重視した設備設計がするにつれて、温度制御への要求が厳しくなっている。

検討されている。エネルギー効率を上げるため、バー

従来の「流し焚き」では、温度制御性を追及するほど

ナー内部の蓄熱体に排気時の熱を蓄えて燃焼時に利用本来の高い熱効率が低下するため、温度制御性と熱効するリジェネバーナーもその一つである。各社は消費率を両立させる新しい焼成技術の開発が不可欠である。

されるエネルギーや排出されるCO2量をいかに減らす③新しい焼成技術

かを最重要課題として、更なる焼成技術の研究開発を進めている。

ェネバーナー」と「ゾーン制御」の組み合わせによる

2）最新の焼成技術

革新的な焼成技術が完成した。「リジェネバーナー」

セラミックスの焼成技術は、品質向上のための「温は内部に備えた蓄熱体を通して、燃焼と排気の両方を度制御性」とコストダウンを図る「熱効率」に挑戦す行うバーナーである。燃焼と排気を周期的に切り替えることで発展してきた。ハニカム等の焼成で用いられることで、蓄熱体を介して燃焼ガスの排気熱を回収し、るトンネル窯を例に、焼成技術の進化を見る。

その熱で燃焼空気を予熱するものである。また「ゾー①「流し焚き」で排熱利用ン制御」とは、予熱帯や焼成帯、冷却帯の各段階で発トンネル窯は20世紀初めに欧米で完成したもので、生した燃焼ガスを従来のように流さず、各段階内で排図3.10のように窯入口から予熱帯、焼成帯、冷却帯で気することで、各段階での温度制御を独立して行う方19）構成される 。従来のトンネル窯の焼成方式は燃焼ガ法である。「ゾーン制御」と「リジェネバーナー」とスの排熱を利用した「流し焚き」方式で、製品はトン

組み合わせることで、排気する燃焼ガスの温度を再利

ネル空間を通過することで焼成される。「流し焚き」

用し、熱効率のさらなる向上を図っている。

とは、焼成帯でバーナーを焚き、発生した燃焼ガスをこの焼成技術の実現によって、新しいトンネル窯は

予熱帯に流し、製品を加熱した後に窯入口付近で排気温度制御性が飛躍的に向上し、焼成品質が大きく上がする方法である。日本ガイシでは、1928年にがいし用り、さらに焼成時間も短縮され、熱効率も大幅に向上

焼成炉として初めて「流し焚き」方式のトンネル窯がした。

導入された。

④排熱からエネルギーを製造②温度制御性と熱効率の両立「流し焚き」では、昇温域の温度は最高温度域で発178

様々な試行錯誤を重ねてきた結果、2001年に「リジ国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.12 2008.March

近年、地球環境問題への対応という意味で、焼成工程の効率化への要求はますます厳しくなってくる。今後は窯の熱効率だけではなく、窯の排熱から他に利用などの製造に用いられるが、最近は難焼結性の非酸化可能なエネルギーを作る技術や低温焼結、自己燃焼焼物の焼結にも応用される。

結といった革新的なプロセスの開発が求められている。

③ホットアイソスタティックプレス（HIP）法3）その他の焼成技術①低温焼結

HIP法は、高圧容器内にアルゴンなどの不活性ガスを媒体として、加圧しながら加熱する方法で、ホットセラミックスをできるだけ低温で作りたいという願プレス法に比べ等方圧を負荷するため、複雑形状の焼望は昔からあり、オイルショック以降特に切実になっ結が可能であり、しかも非常に高圧を負荷できるため、てきた。低温焼結によるメリットは、直接的な燃料費

低温で焼結可能である。しかし、この方法は容器が極の節約だけでなく、炉材、窯道具の損耗の減少、安価

めて高価である点、媒体ガスが高価な点などの欠点が材料の使用可能など間接的にも多い。低温焼結の主要あり、応用は限定的である。

な方法としては、A：焼結助剤を添加する方法、B：④雰囲気焼結加圧焼結方法、C：易焼結性粉末の使用などがある。

大気雰囲気焼成では得られない高密度製品や、非酸

A：焼結助剤の添加により、粉体結晶内の空格子を増化物の焼結に用いられる。大気中焼結では、成形体内

加させ、原子を拡散しやすくし、焼結速度を促進に取り込まれた空気が焼成中に孔となって残りやすさせたり、あるいは助剤添加により低温の液相がい。非常に緻密な焼結体を得るためには、粉末粒子の生じ、粘性流動機構により焼結促進効果がある。

結晶格子中を拡散しやすい原子（例えば水素）の雰囲

但しこの方法では、一般的に添加剤添加による高気中で焼成する事により、気孔の少ない焼結体を得る

温特性の低下があるため、多少高温特性の低下がことが可能となる。また、自動車用セラミック部品にあっても低温焼結したいときに採用される。

代表される構造部品に用いられるSi3N4、SiCなどの非B：加圧効果にはホットプレス（HP）法とホットアイ

酸化物は高温で酸化されるので、窒素などの不活性ガ

ソスタティックプレス（HIP）法があり、どちらス雰囲気で焼結させる。

も高温、高圧条件下で焼結させる。高圧力が負荷⑤マイクロ波による焼結されているため、比較的低温度で焼結できる。HP

この焼成法は、電子レンジの原理でセラミックスを法は1軸方向のみの高圧のため、単純形状のもの

焼成するものである。被焼成体に直接マイクロ波によに適用でき、HIP法はあらゆる方向からの高圧がり加熱できるため、従来の焼成法に比べ、急激な加熱負荷されるため、複雑形状のものが焼結可能であが可能なこと、大型で肉厚のものが短時間で焼成できる。詳細は後述する。

る。したがって、焼成コスト、焼成時間の大幅な低下

C：易焼結性粉末の使用は、焼結助剤添加による高温が可能となる。但し、均一な加熱が困難なため、クラ特性低下もなく、また加圧焼結のような特殊な装ックが入りやすいなどの致命的な欠点があり、使用は置も不要なため、理想的な焼結法であるが、多く制限されている。

の場合、易焼結粉末を得るために特別な処理を施すため、粉末が高価という欠点がある。

3-6-5

加工工程

易焼結粉末を得る方法として、粉体製造履歴のファインセラミックスは一般に難加工性であり、し適正化、特殊な粉体製造法の採用がある。例えば、

かも自動車用など構造用セラミックスとして用いる場

前者では母塩の化学組成、仮焼条件、粉砕条件の合には、寸歩精度とともに良好な仕上げ面が要求され厳密な制御等、後者ではアルコキシド法、共沈法、る。そこで、ファインセラミックスの加工技術、特に気相酸化法、噴霧熱分解法などによる粉末製造が精密加工技術の確立とその高能率化、低コスト化が材ある。いずれの方法も極めて精密な制御が要求さ料の利用拡大を図るために必要不可欠である。しかし、れ、結果として高価な粉末となる欠点がある。

この問題では材料の強度、靭性が改良されればされる②ホットプレス法

ほど、加工しにくくなるというジレンマがある。これ

この方法は、型内に充填した粉末を一軸方向から加を克服するためには、新しい視点に立った優れた加工

圧しながら加熱することにより、焼結する方法である。

技術が必要である。表3.8に加工のために与えるエネ

極めて高密度の焼結体が得られやすい反面、装置が高ルギーの点から分類した代表的な加工方法と一般的な価、冷却に長時間必要、後加工が必要、生産性が低い、特徴を示す20）。

単純な形状のものしか得られない、など多くの欠点もある。高強度を要求されるセラミックバイト（工具）「多孔質ファインセラミックス」の産業技術の系統化

179

表3.8 加工方法の分類と特徴

1）研削加工法
この方法は、外から力を加えて加工する方法で、セラミックスの最も代表的な加工技術の一つである。外周付近に多くの微細なダイアモンドを取り付けた円盤（砥石）を回転させて使うことで、セラミックスを連続的に、かつ微細に削ることができる。この方法においては、砥石の選定は極めて重要であり、それによって加工性能、経済性等が大幅に変わる。砥石の主要素である砥粒（ダイアモンド砥粒等）には破砕性やボンドとの付着性（砥粒表面の性状、金属コーテイングな

図3.11 インプロセスドレッシング

どで変化する）などによって、多くの種類があり、それぞれ適性が異なるから、加工対象物に対する適正な選択が重要である。
2）ドレッシング、ツルーイング技術
研削加工の進行につれて、砥粒の脱落、破砕、磨耗

3）高能率・高精度研削加工の検討
更なる高能率・高精度加工の目的のためには、種々の研究開発が行われている。研究開発の課題を次に示す22）。

によって砥石の形状が変化するので、連続的または長①砥石の開発（高能率、高切れ味など）

時間に渡り精密加工をするためにはツルーイング（形②ドレッシング技術（電解、放電、インプロセスなど）直し）が必要である。また砥粒を適当に突出させ良好③複合加工技術（電気、超音波、レーザ加工などの組な切れ味を出すためにドレッシング（目立て）が必要

み合せ）である。ドレッシングの良・不良によって研削抵抗や④セラミック加工用工作機械の開発（高靭性、高精度用）

砥石寿命などの研削性能が大きく変化するから、その⑤加工条件探索（検索条件、冷却方法など）技術は重要である。高靭性セラミックス等では特に砥粒磨耗が激しいから、その都度ドレッシングやツルー

3-6-6

イングを行っては効率が悪いため、インプロセスドレ

1） 寿命予測と寿命保証技術23）

ッシングが用いられる。図3.11にインプロセスドレッ
シングング概要を示す21）。

信頼性評価技術

一般にセラミックスは脆いため、ある限界を超えた応力がかかると、突然に破壊するいう致命的な欠点が指摘されていた。しかもこの限界の応力が製品により180

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.12 2008.Marchかなり異なり、安全な応力をどこに置いたらよいか不は、材料自体が原料及びプロセスによって、決定され、安であった。これらの理由により、セラミックス部品

またその物性によって評価されるとはいえ、組成と構を重要な構造部品、機械部品に適用することは困難で造が材料自体の最も本質的な要素であり、本来それにあった。しかし、最近セラミックスの破壊に関する研よって物質の存在状態が規定されるものであることを究が急速に進歩し、セラミックスの寿命をある程度正示している。

確に予測できるようになった。これにより、セラミッ
クスを使う時の信頼性に関する障害が取り除かれつつある。また破壊力学を基礎として、実際の応力下で必要な寿命を保持するセラミックスのみを選別する寿命保証技術も進歩し、セラミックスの信頼性を高める上で大きく貢献している。
図3.12 キャラクタライゼーションの概念図

2）非破壊試験
セラミックス部品の中に存在する欠陥（傷、空孔など）を非破壊で検出する技術が近年大幅に進歩し、部品の信頼性向上に大きく貢献している。
主な非破壊試験方法を列挙する23）。

3.8 標準化と特許
日本のファインセラミックス産業が世界をリードし①放射線による方法ている要因の一つに産官学における標準化と特許につ・X線法

いて関心の高いことが挙げられる。ファインセラミッ

・電子線法

クス産業は歴史が新しく、国は新産業創出における標②超音波による方法

準化の重要性に早くから気づき、各種のデータベース

・超音波探傷法の構築、JIS、ISOの標準化に力を入れ、支援してきた。

・超音波顕微鏡

前述のように、ファインセラミックスは、同じ材料で・光音響影像法

も製造工程により特性が異なるため、ユーザーが安心

・電子線超音波顕微鏡

して使うためには信頼性を挙げることが必須である。

・レーザ走査型超音波顕微鏡

そこで、国の支援の下に、業界団体の日本ファインセ③Acoustic Emission（AE）

ラミックス協会、学会の日本セラミックス協会、試④蛍光探傷法験・研究機関であるファインセラミックスセンターを中心に、産官学の識者が集まって、標準化に関する調

3.7 「キャラクタライゼーション」概念の導入

査・研究を計画的に進めてきており、現在では、ファインセラミックスに関するISOの原案は、日本から提ファインセラミックス材料が、近年工業材料として案のものが60％を占めている。さらにファインセラミ

広く認められた背景には、「キャラクタライゼーショ

ックスのISO分科会TC-206は日本が主導して立ち上げ

22）
、23）

ン」の概念が導入された貢献が大きい。

キャラクタライゼーションとは、工業材料が次第に高性能化し、理論に近づいてきた段階で確立された比たものであり、事務局である国際幹事も発足以来、日本が務めており、このことが日本がこの分野で世界をリードしてきた要因の一つと考えられる。

較的新しい概念である。この概念は米国のNational

特許に関しては、日本のメーカー間でお互いに開発

Academy of ScienceのMaterial Advisory Board（MAB）

競争にしのぎを削っており、専業メーカーの多さも手に よ り 1967年 に 刊 行 さ れ た

Characterization of

伝って、国際特許の出願数も世界一である。表3.9にに定義されている。それによれば、キャ1981年から1993年までの出願登録件数の国別割合を示

ラクタライゼーションとは、「材料の組成と構造（欠した24）。この期間はファインセラミックスの開発競争

陥を含む）の特徴を明らかにすることである。」つまが最も激しかった頃であり、出願数の多寡がそのままり、①材料を調製するとき、②材料の性質を研究する

現在のファインセラミックス産業の趨勢に影響していとき、③材料をある目的に使用するとき、のそれぞれると言っても過言でない。

Materials

に対して重要な意味を持つ材料の組成と構造の特徴、そして材料を再現性良く生産するために必要十分な組成と構造の特徴について記述することである。図3.12「多孔質ファインセラミックス」の産業技術の系統化

181

表3.9

ファインセラミックスに関する特許出願登録の国際比較（1981年〜1993年）

10）テクノプラザ出版「ファインセラミックス・カタ
ログ集'96」p16,（1996）
11）山口、柳田編「エンジニアリングセラミックス」（技報堂出版）p42,（1984）12）山口、柳田編「エンジニアリングセラミックス」（技報堂出版）p47,（1984）13）日本ガイシ株式会社 Web Site，NGK セラミックアカデミー

ものつくり講座

02「練る」

14）日本ガイシ株式会社 Web Site，NGK セラミックアカデミー

ものつくり講座

03 「成形」第1回

15）日本ガイシ株式会社 Web Site，NGK セラミック＜参考資料＞
1）日本ファインセラミックス協会編「ファインセラ
ミックス等無機材料技術開発に関わる産業ニーズ調査」p6,（2006）
2）同上 p7,（2006）3）日本ファインセラミックス協会のカタログから抜粋
4）日本ファインセラミックス協会編「平成18年度無機新素材産業技術対策調査（ファインセラミック
ス技術対策俯瞰調査研究）」p21,（2007）5）日本ファインセラミックス協会編「平成19年度ファインセラミックス産業動向調査」p9,（2007）

ものつくり講座

04 「成形」第2回

16）日本ガイシ株式会社 Web Site，NGK セラミックアカデミー

ものつくり講座

04 「成形」第2回

17）日本ガイシ株式会社 Web Site，NGK セラミックアカデミー

ものつくり講座

06「焼成」第1回

18）日本ガイシ株式会社 Web Site，NGK セラミックアカデミー

ものつくり講座

06「焼成」第1回

19）日本ガイシ株式会社 Web Site，NGK セラミックアカデミー

ものつくり講座

07「焼成」第2回

20）「セラミックス加工ハンドブック」p5,（1987）
21）工業調査会編「ファインセラミックス成形・加工と接合技術」p67,（1989）

6）日本ファインセラミックス協会編「平成18年度フ

22）斎藤進六編「応用物理」Vol.46, p265-270（1977）ァインセラミックス産業動向調査」p25,（2006）23）中 平 光 興 「 セ ラ ミ ッ ク ス 」 Vol.8, p274-279,

7）日本ファインセラミックス協会編「ファインセラ
ミックス等無機材料技術開発に関わる産業ニーズ調査」p21,（2006）8）NEDO，日本ファインセラミックス協会編「平成11年度長期エネルギー技術戦略等に関する調査（ファインセラミックス技術分野）」p4,（2000）
9）山口、柳田編「エンジニアリングセラミックス」（技報堂出版）p28,（1984）

182

アカデミー

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.12 2008.March（1973）
24）日本機械工業連合会、日本ファインセラミックス協会編「我が国機械産業に資するファインセラミ
ックス技術力及び技術シーズマップ作成」 p88,
（1999）

4 多孔質ファインセラミックス
多孔質ファインセラミックスは、多数の細孔を含有したファインセラミックスで、セラミックスの持つ耐熱性、高温強度、耐食性と多孔体の持つ分離、吸着、表面活性を併せ持つため、ろ過、拡散等のフィルター
エレメント、触媒担体、吸着剤、断熱材、吸音体など、
主に環境対策を中心とした材料として広範な用途がある。多孔体は、細孔容積、細孔形態、細孔径、比表面積等の細孔構造に特徴がある。すなわち通常の緻密な焼結体と比較し、細孔容積、比表面積が極めて大きく、それぞれ特有の細孔形態、細孔径を持っている。なお、多孔質の陶磁器は戦前から下水処理用の散気板、散気筒として利用されており1）、今日でも用いられている。

図4.2

細孔径と代表的な多孔質ファインセラミックス

図4.1に日本で最も古くから製造している岩尾磁器工業の散気板、散気筒を示す2）。これは、0.1μ以上の気孔径を通過する空気中の酸素などにより、下水汚泥を浄化するものである。

4-1-2

細孔の構造

細孔は、図4.3に示すように開気孔と閉気孔に大別され、前者はさらに入り口があって出口を持たない非貫通孔と流体が通り抜けることができる貫通孔に分類
される4）。多孔質ファインセラミックスに存在する細孔は、主として貫通孔であり、その細孔構造は、曲がりくねった多数の毛細管が三次元的に配列したモデルに単純化できる。細孔機能の利用として、開気孔は主として分級や濾過に、閉気孔は断熱や吸音に利用され
ている。

図4.1

1：開気孔、貫通孔
2：開気孔、
非貫通孔
3：閉気孔

散気板、散気筒の例

4.1 多孔質ファインセラミックスの種類と細孔特性
4-1-1 孔の径による種類
細孔については、その大きさにより、IUPAC（International Union of Pure and Applied Chemistry）
で分類が提唱されており、20Å以下をミクロポア、

図4.3 閉気孔と開気孔の図

20〜500Åをメソポア、500Å以上をマクロポアと分類する方法が一般的である。多孔質ファインセラミック
スの場合は、ゼオライト等に見られる骨材粒子内のミ4-1-3多孔体の主な材料

多孔質ファインセラミックスに用いられる主なセラ

クロポアと骨材粒子相互間に形成される空隙に由来す

ミック材料および用途は次の通りである 5）。

るマクロポア、その中間のメソポアに分類される。図1）アルミナ（Al2O3）：硬度、耐熱性、耐磨耗性、耐4.2に細孔径と対応する代表的な多孔質ファインセラ

食性、電気絶縁性などに優れるため、セラミックス材

3）

ミックス製品を示した 。

料として最も広く使用される材料で、多孔質アルミナ
はセラミックフィルターとして、また生体材料として広く利用されている。

「多孔質ファインセラミックス」の産業技術の系統化

1832）シリカ（SiO 2）：地殻を構成するものの中で最も熱性及び多孔質を利用した様々な用途が検討されてい多量に存在する鉱物であるが、多孔質シリカは、ゲル

るが、大きな実用化には至っていない。

状態のシリカゲルが吸湿材として身近に使用されている。また多孔質ガラスとしてシリカガラスが分離膜等4-1-4に利用されている。

1） 細孔の形成

3）ジルコニア（ZrO2）：融点が高く、熱伝導率も小多孔質ファインセラミックスの細孔は、骨材粒子相さいという特長があるが、約1000℃付近で結晶構造が互間に形成される空隙に由来するマクロポアとゼオラ

単斜晶から正方晶に変化し、その際の急激な体積変化

イト等に見られる骨材粒子内のミクロポア、その中間のため、破壊する。それを防ぐため、安定化材を固容のメソポアに分類される。一般に焼成過程で存在するさせた安定化ジルコニアが用いられる。安定化ジルコ

細孔は、原料粒子相互間に存在する空隙に由来するマニアは酸素イオンのイオン伝導性があるため、多孔体

クロポアである。一方、水和物等を加熱分解すると母として各種酸素センサーに、その他にもガス吸着体な塩の残像が残り、脱水による間隙がミクロポアとなる。

どにも応用されている。

例えば、水酸化アルミニウムは、脱水後の間隙がミク

4）チタニア（TiO 2）：酸素濃度や水分吸着により、

ロポアとなり、ゼオライトはかご状骨格の結晶粒子が導電率が変化する性質を利用して、多孔質チタニアは脱水後にミクロポアとなる。ミクロポアを持つ結晶粒

自動車排ガス中の酸素を測定するセンサーや湿度セン

子を骨材とした多孔質ファインセラミックスは二様性サーに応用されている。また、最近はチタニアの光触の細孔構造となる。例えばハニカムセラミックスは、媒としての機能を活用して、表面積を増加した多孔体

薄壁中の細孔をミクロポアとし、薄壁によって形成さとして大気浄化、水質浄化などへの応用が活発に開発れるチャンネルをマクロポアとする二様性細孔構造をされつつある。

持つ多孔質ファインセラミックスである。

5）コージェライト（2MgO・2Al 2O 3・5SiO 2）：低熱

2）細孔径

膨張特性を活用してハニカム状に成形し、自動車排ガ

多孔質ファインセラミックスの細孔径では、平均細孔

ス浄化用触媒担体に大量に用いられている。他にも、径、最大細孔径、細孔径分布が重要である。平均細孔径

ガスタービン用熱交換器、一般産業用脱臭装置や排煙は、水銀圧入法、液体透過法で測定されるが、骨材粒子脱硝装置などにも利用される。

の粒子径が小さく、結合剤の量が多いほど平均細孔径は6）ゼオライト（SiO 4の四面体構造）：組成的にケイ4−酸 塩 の 1 種 で 、 構 造 の 基 本 単 位 は （ S i O 4） お よ び
5−

小さくなる。また骨材粒子の平均細孔径が同一であれば粒子径分布の広いほど、平均細孔径は小さくなる。

（AlO 4） である。基本単位が4つの頂点酸素をそれぞ

最大細孔径は、フィルターとして最も重要な特性で、れ隣の4つの基本単位と共有することにより、次々と3捕捉される粒子の大きさは一般的には最大細孔径によ

次元的に連結して結晶構造を作り、連結の方法によっり決まる。しかし例外もある。例えば、細菌を炉別すて、様々な構造や空孔を持つゼオライトとなる。空孔る場合、細菌の大きさが濾材の最大細孔径より大きくの大きさは、0.4〜0.8nmで、3次元構造の中に規則的ても柔軟性のため、通過することがあり、逆に堅く変に存在するため、分子レベルで物質を分ける「分子ふ形しにくい粒子を濾別する場合、液濾過で最大細孔径るい」としての機能を有する。

の約1／10、ガス濾過で約1／20までの粒子を完全に阻

7）アパタイト（リン酸カルシウム）：人体の骨、歯止できたとの報告もある。

と基本的に同じ組成であるため、合成アパタイトは生ファインセラミックスの細孔径分布は、焼結体の特性

体親和性、耐食性に優れ、多孔質アパタイトが人工歯、としてある細孔径でピークを持ち、一様性の細孔構造と人工関節などの生体材料に使用されている。

なる。この場合、骨材の粒子径分布を均一化すると、細8）炭化ケイ素（SiC）：極めて硬く、耐熱性、耐食性

孔径分布はシャープになる。ミクロポアを持つ骨材粒子に優れ、熱伝導率も高い。また、導電性もあり、従来を用い、適正な条件で製造すると、細孔径分布は、大小も抵抗発熱体として利用されてきたが、最近は多孔体

二つの細孔径でそれぞれピークを持ち、二様性の細孔構の細孔によりディーゼルエンジン排ガス中の黒鉛微粒造となる。触媒担体、吸着剤では、関与する流体の拡散子を捕囚するディーゼルパティキュレートフィルター

速度を増大するため、ミクロポアとマクロポアが共存すとして多く用いられている。

るよう細孔径分布を制御する場合がある。

9）窒化ケイ素（Si3N4）：窒化物の代表的なファイン

3）比表面積セラミックスであり、優れた高温強度、低熱膨張、耐

184

細孔特性

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.12 2008.March

比表面積とは、単位重量あたりの物質の表面積

（cm2/g）のことで、セラミックフィルター特性の中で5）比表面積の増加：外部表面積に比べ、多孔体の比も、触媒や吸着などフィルター表面で機能する場合、表面積は極めて大きく、特に表面積で化学、生物反応最も重要な特性である。測定方法は、被測定物に窒素が起きる触媒やバイオリアクターなどの担体として重ガスを徐々に吸着させ、ガス圧力の変化に対する吸着要である。自動車排ガス浄化用触媒担体（ハニカム）

量の変化をプロットして、表面のみに吸着したガス分は、耐熱性、低熱膨張性、比表面積の大きさを活用し子の吸着量から求める。比表面積を大きくするためにた例である。

は、平均細孔径の微細化、細孔容積（フィルター中の

6）孔による物質の選択性：モレキュラーシーブ（分細孔の全容積）の増大を図ることである。

子篩）またはそれに準ずる気孔で、多孔体粒子の中で特定の分子を通過させ、その他のものの通過を阻止し、

4.2 機能と用途物質を分離、選択する機能である。分離・選択する対象は分子などの化学物質の他、細菌や微生物などの生多孔質ファインセラミックスの機能と主な用途の概6）体のケースがあり、生物関連分野で利用されている。

要を示す 。

7）物質の通過調整機能：多孔体の細孔径、孔の数、

1）低比重・軽量：孔によりセラミックス中に気体

分布状況を調整して、対象物質のろ過を行うもので、（一般には空気）が多く含まれることにより、低比重

一般のセラミックスフィルターがこれにあたる。気体、で軽量となる。主な用途は、軽量を利用した多孔性建

液体、固体のフィルトレーションに極めて広範囲に使材などである。

用され、空気浄化、水質浄化など環境対策に最も期待

2）断熱：多孔体中の孔に存在する期待（一般には空される応用分野である。

気）は、熱伝導率がセラミックスに比べ数桁小さいた
め、断熱効果が大きい。この断熱性能を利用して断熱4.3 多孔質ファインセラミックスの製造法

レンガへ応用されている。
3）吸音・消音：多孔体は孔径に応じた波長の音を吸

4-3-1

マトリックス物質の粒子を結合させる方法

収する吸音性能を持っている。これは孔内の気体（空所定の大きさに揃えた粒子を成形し、焼成し、粒子

気）が音響エネルギーを減衰させるためで、孔を閉気間隙として空孔を形成させるもので、空隙率、細孔径孔にすればさらに吸音性能は大きく向上する。この性など細孔特性は粒子の大きさと粒子の充填状態（パッ質を利用して、セラミックス多孔体が高速道路の吸音キング）によって決まる。多孔質セラミックスの最も材、また孔の密度や孔径をコントロールして、特定域

一般的な製法で、この製法によるフィルターが液体やの音の吸音率を調整した音響タイルがINAXから開発

気体のろ過膜、電解工業用隔膜などとして広く用いら

7）されている 。

れている。なお、ろ過機能・効率を上げるため、フィ

4）物質保持・吸着：閉気孔の孔内に物質を保持し、外ルター内部の細孔径を徐々に変化させたセラミック膜部との物質の濃度差により、適度に物質を放出・吸着をも開発されている。本方法で得られたセラミック膜の繰り返すもので、建材や保存容器などに好適な性質であ断面構造を図4.4に示す。

る。代表的な用途として、多孔質タイルがあり、部屋内の水分を調整する調湿機能を持っている。乾燥時には水分を放出し、湿度の高い時には吸湿する。INAXからソイルセラミックスとして生産販売されている 8）。

4-3-2

製造工程で第2成分を除去する方法

製造工程で特定の成分を蒸発や溶出で除き、その後に空孔を形成させる方法で、代表的な例としてゾルー

図4.4 セラミック膜の断面構造「多孔質ファインセラミックス」の産業技術の系統化

185

ゲル法により得られたシリカゲルがある。ケイ酸ナト
リウムに酸を加えて生成するSi(OH) 4モノマーの縮合

4.4 ゼオライト

により球状粒子を生成させ、さらにpHを調節して粒子を互いに連結させ、三次元網目構造のゲルを作成す

ゼオライトは18世紀にスウェーデンの学者によっる。このゲルを加熱すると、三次元構造を保持したまて、アイスランドで発見された。いわゆる「天然ゼオまで脱水して多孔質シリカとなる。

ライト」である。ゼオライトは水晶のような結晶で、主にアルミニウム（Al）とケイ素（Si）から構成され

4-3-3 焼成発泡法ている。結晶は極めて小さく、また内部に微細な気孔

セラミック原料に発泡材や可燃性物質を混合し、こを多数持っており、今までに組成、構造の異なるゼオ

れを焼成発泡させて多孔体を得る方法で、閉気孔を形

ライトが40種類以上発見されている。触媒・吸着機能

成させやすいので、断熱材料に適した製法である。こに代表されるゼオライトの特徴をさらに活かすため、の製法の変形として、軟質ウレタンフォームのセル膜

化学の知識・技術を駆使して製造されたのが「合成ゼを除去した骨格構造（スコットフォーム）を作り、セオライト」である。工業的に製造されたゼオライトは

ラミック原料の泥しょうを含浸させた後、乾燥、焼成

天然ゼオライトに比べ、高機能であるが、コストが高することにより、気孔率80-90％のセラミックフォー

いという欠点がある。そこで、第3のゼオライトとしムを得る方法がある。ブリヂストンはこの製法により、て「人工ゼオライト」が生まれた。これは石炭灰など

セラミックフォームを生産している。図4.5にセラミの廃棄物を処理したもので、極めて低コストのため、

9）

吸着剤などとして注目されている。なお、この人工ゼックフォームの断面を示す 。

オライトは愛媛大逸見彰男教授によって発見されたものである。石炭灰は、石炭に含まれていた無機質成分が燃焼後に残った酸化物からなっており、この無水物である石炭灰をアルカリ処理することで、ゼオライト
として結晶化させることに成功したものである。人工セオライトは、触媒機能、吸着機能の他に陽イオン交
換機能がある。電気量が異なる陽イオンを担持することで、様々な型の人工ゼオライトが合成可能である。
陽イオンの種類により、カルシウム型、ナトリウム型、
図 4.5 セラミックフォーム

マグネシウム型などといわれ、利用目的により水質浄化にはカルシウム型を、排気ガス浄化には鉄型が使わ

4-3-4

結晶構造中に空孔を持つ物質

天然や人工鉱物の中には、その結晶構造に空孔を内蔵しているもの、一定の間隔で積層構造を持つものがある。これは一種のミクロポアと考えられ、結晶そのものが多孔質セラミックスといえる。それらの空孔に
他の化学種が出入りして化学反応を起こしたり、分離機能の役割を果たすことが多い。代表的な例としてゼオライトがあり、分子篩として使用されている。図4.6にゼオライトの模式図を示す10）。

図4.6 ゼオライトの構造

186

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.12 2008.Marchれる。表4.1に天然ゼオライト、合成ゼオライト、人工ゼオライトの特徴を示した。
表4.1 各種ゼオライトの特徴

＜参考資料＞

6）同上 p16-17,（1998）

1）「日本ガイシ75年史」 p338,（1995）

7）INAX2）岩尾磁器工業

8）国立科学博物館 Web Site，国立化学博物館

カタログ「多孔質セラミックス」

より抜粋
3）「多孔性セラミックスの新展開」（東レエージェン
シー出版） p5,（1998）
4）同上 p6,（1998）
5）同上 p8,（1998）「音響タイルシステム」カタログ

産業技術の歴史「ソイルセラミックス」（INAX製）資料No. 101210161003
9）ブリヂストン「セラミックフォーム」カタログより抜粋
10）物質研ニュース

No.4, p6,（1993）「多孔質ファインセラミックス」の産業技術の系統化

187

5 自動車排ガス浄化用触媒担体（ハニカム）
自動車排ガス浄化用触媒担体は、自動車排ガス中の規制強化は表5.1 1）及び図5.1 2）の通りである。

汚染物質である一酸化炭素（CO）、炭化水素（HC）、

いわゆる50年規制が制定されることが決まった40年

及び酸化窒素（NOx）を浄化する触媒用の担体である。

代半ば、日本の自動車メーカーは一斉に排ガス対策に

自動車排ガス浄化用触媒は今日では日・米・欧ほぼ全乗り出した。

てのガソリン車に採用されているほか、最近ではディ

当時、排ガス対策には、エンジンそのものを改良すーゼル車の排気ガス対策も強く要求され、既に大型トる方法と、触媒装置を取り付けて燃焼ガスを浄化する

ラック用として実用化が始まっている。セラミックス

方法の2つが考えられた。エンジンそのものを改良す製の触媒担体は、自動車以外にもボイラーなどの固定る方法は、燃費が悪くなり、また48年のオイルショッ

排出源からのNOx処理用の触媒担体や、粉塵処理用のクの影響もあり、各社とも触媒装置の開発にウェイト

フィルターエレメントとしても応用が広がっている。

をおくようになった。初期に採用された触媒は、CO

この自動車排ガス浄化用担体市場発展の歴史は、1970

及びHCを酸化する機能を有した酸化触媒であったが、年代に入り、欧米、日本で排気ガス規制が進んだこと

その後、三元触媒といわれるCO及びHCの酸化とNOxに端を発する。

の還元を同時に行う機能を有する触媒が開発され、自動車排ガス対策は大きく前進した。

5.1 社会の背景

触媒装置の方式にも、触媒を担持する方法によって2通りの方式が考えられた。ハニカム（モノリス）型とペ

昭和20年、米国カリフォルニア州で光化学スモッグ

レット（粒状）型である。図5.2に両者の模式図を示す3）。

が発生した。自動車の排気ガスによる公害は、この頃ペレット型は、従来から化学工業用の触媒装置に使用さからすでに注目されていた。日本では昭和35年、当時れており、担体としての実績はすでにある程度確立されの厚生省の手で、東京都内の大気汚染状況が初めて調ていた。ただ担体そのものが粒状のため、破壊の心配は査された。その後汚染が進むにつれて、排気ガス規制

ないが、背気圧が高いため、排ガスが通過しにくく、容の動きは急速に高まっていった。

積が大きい、重量も比較的重い、振動に伴う磨耗などが各国の自動車排ガス規制導入年および日・米・欧の表5.1

自動車排ガス規制導入

難点とされていた。一方、ハニカムは軽量で背気圧が小さいという特徴がある反面、コストが高いという弱点を持っていた。このような背景を基に、自動車メーカー、
セラミックスメーカーは、自動車排ガスの浄化用触媒担体として、ペレット型に対抗しうるコストの安いハニカ
ムの開発に取り組むことになった。

図5.1

188

日欧米の規制の強化

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.12 2008.March

図5.2

ペレット型とハニカム型の略図

図5.3

自動車排ガス浄化用ハニカム4）

の方針でハニカムを評価されず。フォードはハ
ニカム方式採用の方針。
昭和48（1973）年

ハニカム試作品を米触媒メーカー

エンゲルハルト社に提供。
→ 熱衝撃性弱く、クラック発生したため、素地（材料）の耐熱衝撃性改良に取り組む。
図5.4

自動車排気ガス浄化の仕組み5）昭和49（1974）年

低熱衝撃性改良品をフォード、

エンゲルハルト両社に提供。

5.2 ハニカム誕生の歴史→ 評価テスト、テスト結果に基づく素地改良

自動車排ガス浄化用触媒担体としてのハニカムは、

この頃、米コーニング社のハニカム評価される。

日米で各々独自に開発され、日本では日本ガイシが先続く。
昭和50（1975）年

フォードからハニカム100万個の行し、日本電装（現社名：デンソー）が続き、米国で値段と納期の照会受ける。

はコーニングが事業化に成功した。今日では、この3（フォードは最終的にハニカム方式採用を決定）

社が世界市場をほぼ占有し、特に日本ガイシとコーニ

この頃ハニカム開発会社は米国3社と日本ガイング両社で95％のシェアといわれている。ここでは、

シ、デンソーに絞られる。

日本ガイシのケースを中心にハニカムの誕生から事業GMを初めとする自動車メーカーの大半は、ペ化にいたる開発経緯を述べ、ハニカムの技術発展を概レット方式を採用することを決定。理由はハニ

6）

観する 。

カムの品質に対する低信頼性と供給会社が少な
いこと。

昭和20（1945）年

アメリカ・カリフォルニア州で

昭和50（1975）年11月

フォードより年150万個の光化学スモッグ発生

引合い。（社内にて事業化決定）

自動車排ガスによる公害が疑われる

12月 サンプルテスト不合格。契約交渉中断。

昭和35（1960）年

日本・厚生省が都内の大気汚染状況を調査

40年代半ば厚生省が昭和50年に排ガス規制

低熱膨張素地の開発急務。
昭和51（1976）年1月

低熱膨張素地開発→

フォードにてテスト合格 8）

制定を決定

3月

ハニカム工場完成 量産開始3万個／月。

自動車メーカー一斉に排ガス対策に取り組む。

9月

フォードのProduction Validation合格①エンジンそのものの改良 （ C V C C 、 ロ ー タ

10月

フォードへ2万個出荷

リーエンジン等）

昭和52（1977）年10月

フォードよりハニカムの薄②触媒による排ガス浄化

壁化要求。
（300μ→150μ）①は燃費の悪さとオイルショックの影響で、②ハニカム工場拡大（12万個／月）

触媒方式の開発にウェイト。触媒方式は①ハニ

日本自動車メーカーもハニカム方式を採用。

カム型と②ペレット型に大別。①は軽量、背気圧は小さいがコスト高、②は担体が粒状のため破壊の心配がないが、背気圧が高く、重量も比発に着手

薄壁化完成（原材料、押出し法の見直し、薄壁150μ生産開始）
昭和55（1980）年

日本電装（現社名：デンソー）

がハニカムをトヨタに初めて納入。9）較的重い。
昭和46（1971）年

昭和53（1978）年4月

日本ガイシがハニカムの研究開

7）

昭和57（1982）年6月

フォードからQ-1賞受賞（品質管理の優秀工場として認知）研究内容：①低熱膨張コージェライト素地の開発

フォードの協力工場350社中16社に選ばれる。

②ハニカム成形法の開発

昭和63（1988）年

ベルギーに生産子会社設立

この頃、世界では約20社がハニカムの研究開発

昭和65（1990）年

米国に生産子会社設立

を開始。

平成7（1995）年

ハニカム壁厚100μ生産開始

昭和47（1972）年

日本ガイシ押出し成形に成功し、

平成8（1996）年

インドネシアに生産子会社設立

試作品を国内自動車メーカーに提供するも評価

平成11（1999）年

ハニカム壁厚75μおよび50μ生

せず。この頃、米国GM社はペレット型を採用

産開始「多孔質ファインセラミックス」の産業技術の系統化

189平成12（2000）年

南アフリカに生産子会社設立

平成13（2001）年

中国に生産子会社設立

平成15（2003）年

ポーランドに生産子会社設立

平成19（2007）年

ハニカム生産累計10億個達成予定

表5.2 代表的な耐熱性及び低熱膨張セラミックス材料の特性

図5.5に日本ガイシにて昭和51年8月に生産されたハ
ニカム第1号の写真を、図5.6にフォードから受賞した

いずれの材料も1000℃以上で使用可能であるが、コージェライトの熱膨張係数が極めて低く、この材料が激Q-1の写真を示す。

しい温度変化の加わる排ガス浄化用触媒担体に最適であり、また材料の安定性や原料の入手しやすさもあり、開発の対象となった。なお、表中のリチウム・アルミ
ニウム・シリケート及びアルミニウム・チタネートも
熱膨張係数は低いが、前者は耐熱性、コストの点で、後者は高温で熱分解するため、対象とならなかった。
5-3-1

製造方法

ハニカムの製造方法を図5.7に示す11）。基本的には、一般のファインセラミックスの製造法と同じであり、陶磁器など伝統的なセラミックスと一般のファインセ
図5.5

日本ガイシのハニカム生産第1号

ラミックスに継承された多くの製造技術・ノウハウを活用している。原料の種類と粒度、成形方法、焼成条
件によりハニカムの多孔特性は大きな影響を受ける。
そのため製品の気孔率及び気孔径を精密にコントロー
ルするための厳しい工程、品質管理が要求される。
ハニカム製造法の特徴としては、熱膨張をより低くするために材料組成の開発、押出し成形による多孔体の成形が可能になったこと及び、陶磁器製造で培われた焼成技術の高度化である。

図5.6

フォードから受賞したQ-1賞

5.3 ハニカムの製造技術の発展
セラミックスは一般に耐熱性、耐食性に優れている
が、自動車排ガス浄化用触媒担体として用いられるハ
ニカムには、さらに自動車走行による、急激な温度変図5.7

ハニカムの製造工程

化、振動等に耐えるように、熱ストレスに耐える耐熱
衝撃性が要求され、低熱膨張及び高温強度に優れるいコージェライトハニカムは、タルク、カオリン、ア

くつかの材料が検討された。また構造的には表面に塗ルミナを主要原料とし、これらを粉砕、分級して粒度布した触媒層をこのような過酷な条件下で保持するた

調整した後、水とバインダー（結合剤）を加えて混練

めには多孔性であることが必要された。表5.2に代表して胚土とし、押出し成形することにより、レンコン

的な耐熱性及び低熱膨張セラミックス材料の最高使用

状のハニカム成形体を得る。原料混練、押出し成形は10）

温度と熱膨張係数を示す 。

永年ガイシ製造で培ってきたセラミックスの製造技術を高度化したものである。ハニカム成形体は乾燥した
後、両端を焼成後の収縮を見込んだ製品長さに切断さ190

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.12 2008.March

れ、その後約1400℃で焼成される。焼成段階で、原料のタルク、カオリン、アルミナが反応して、低熱膨張のコージェライトとなる。焼成されたハニカム製品は、形状、寸法精度、重量などの検査を受け、合格品が出
荷される。
5-3-2

材料の改良による耐熱衝撃性の向上

日本のメーカー（日本ガイシ、デンソー）が自動車
排ガス浄化用触媒担体の開発に成功し、それがタイミ
ング良く実用化されたのは、排ガス規制のスタート時に担体に適した低熱膨張の配向性コーディライトとい

図5.8

コージェライト結晶の熱膨張係数12）

うセラミック材料が開発されたことが大きい。排ガス浄化用触媒は、あらゆるエンジンの運転条件に曝されても、長期間触媒性能を維持する必要があり、セラミ
ックス材料には高い耐熱性と耐熱衝撃性（素地の低熱膨張化）、機械的強度が要求される。
ハニカムに使用されるコージェライト結晶は熱膨張係数に異方性があり、セラミックハニカムはこの異方性を利用し、低熱膨張化している。図5.8にコージェ
ライト結晶のa軸、c軸方向の熱膨張係数を示すが、c軸方向の熱膨張係数は負（マイナス）である。セラミックハニカムは真空土練（混練）されたあと、口金を図5.9

押出しハニカムの配向13）

通し、押出し成形されるが、その際、板状のカオリン
原料は口金通過時のせん断力で、セル壁面と同じ方向に配向する。この現象を利用して低熱膨張コージェラ
イトの開発が可能となった。また低熱膨張特性の材料開発に当たっては、極めて精密な熱膨張特性の測定が要求され、熱膨張の小さい石英標準資料をスタンダー
ドとする測定技術の習得が貢献した。この熱膨張が低い方向に軸がそろった材料開発は、日本ガイシの技術者が偶然発見した次の実験の成果といわれている。低熱膨張材料の開発実験中に、焼成後にコージェライト
素地となる原料粉末を粉砕していた時に、ある条件の粉砕方法によって、結晶の軸方向が一定の方向に揃う

図5.10

コージェライト結晶の配向14）現象を見出した。まさに、偶然に見出したセレンディが向けられる。コージェライト結晶をセル壁面内に配ピティともいうべき発見であり、この現象を利用して、向させることにより、ハニカム構造体としてはコージ

ハニカム用低熱膨張コージェライト材料は開発された

ェライト結晶が無配向の場合よりも低い熱膨張を達成ものである。偶然の発見を必然の技術にまで発展させすることができ、優れた耐熱衝撃性を示すことが可能た成果といえる。図5.9、図5.10に押出しハニカムの軸となったわけである。軸配向したコージェライト材料

配向と、結晶の配向の様子を示す。

の開発に関しては、日本ガイシが日米欧に特許出願し次の焼成過程では、コージェライト結晶がカオリンていたが、米コーニング社は低熱膨張コージェライトを構成するカオリナイト結晶を基準に生成するため、として先に特許出願しており、永年の特許交渉の末、負の熱膨張を示すc軸方向がハニカムの壁面に平行と

昭和53年にクロスライセンス方式で技術提携するととなって成長する。この結果、コージェライトの低熱膨もに、コーニング社と対等出資し、両社の製品を販売

張成分は常にセル壁面内となり、ハニカム構造体の熱する会社として「エヌコア」を設立ことで合意した。

膨張には寄与しないセル壁厚み方向には高熱膨張成分「多孔質ファインセラミックス」の産業技術の系統化

191

5-3-3

ハニカムの成形方法の開発

セラミックハニカムの成形は古くから種々の方法が使われている。主なものとして、コリュゲート法、エ

しており、1976年に英国社とライセンス契約を結ぶことで、特許問題を解決した。
1）成形口金ダイス

ンボス法、ペーパーディッピング法、くし型パネル積

ハニカム構造の押出し成形は使用する口金に最大の層法、押出し法などがある。これらの成形法が試みら特徴がある。図5.14に示すように、はい土は口金裏面れた結果、セルの均一性や量産性、機械的強度などのの供給孔から入り、途中から出口側のハニカム構造を理由で、最終的にはセラミックスの伝統的な成形方法

形成する溝（スリット）に入り、十文字に広がり，隣である押出し成形法が採用された。

同士のはい土が圧着、合体して一体のハニカム構造に

図5.11、図5.12及び図5.13に押出し法、コリュゲー
ト法、エンボス法の模式図を示す15）。

なる16）。口金のスリットは、放電、研削等で加工され、裏孔の加工にはドリル等が用いられる。裏孔のドリル加工の場合、孔の深さと径の比が20を超え、孔数も数千穴となるため、高度の加工技術が要求される。また
成形時の口金の変形を小さくする構造の検討など口金の構造設計も重要であり、CAE（Computer Aided
Engineering）がその技術確立に役立てられている。

図5.11

押出し法

図5.14

図5.12

コリュゲート法

ハニカム押出しの機構（口金）2）押出し成形
ハニカムの押出し圧力はセル形状や製品寸法により異なるが、通常10Mpa以上が用いられる。成形はスク
リュー押出し機による連続押出しと油圧のプランジャー押出し機によるバッチ式押出し機が使われている。

5.4 薄壁ハニカムの開発
近年、自動車排気ガスの規制はますます厳しくなっており、これらの規制に対応するためには、触媒浄化
図5.13

192

エンボス法

性能の向上が不可欠である。現在、触媒浄化性能の向上には、より一層の薄壁化、高セル密度化、すなわち押出し成形法は通常10Mpa以上の圧力で、原料を口薄壁ハニカムの適用が主流となっている。これはハニ

金（ダイス）という特殊な形状の金型を通して、押出カム構造体の薄壁化により重量が軽くなり、低熱容量すことで目的の形状に成形する。

化することによる触媒の早期暖機性向上（触媒が早く

日本ガイシの場合、ハニカムの製造方法は独自開発に機能する性質）、また高セル密度化により高い幾何学よるものであったが、海外にもいくつかの特許が存在

的表面積が得られることによる触媒浄化性能の向上、

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.12 2008.March図5.15

薄壁ハニカムの変遷17）

さらに触媒コンバーターの容積縮小によるコストダウン等大きなメリットがあるからである。薄壁ハニカム

図5.15に、薄壁ハニカムの変遷を、表5.3に薄壁ハニカムの特性を示す。

は、従来の12ミル（300μ）、6ミル（150μ）ハニカム

表5.3

から、1995年に4ミル（100μ）ハニカムが量産開始さ

薄壁ハニカムの特性18）

れて以降、各メーカー間の競争が激しく、現在は3ミル（75μ）、2ミル（50μ）のハニカムまで薄壁化が急ピッチで進行している。2ミルハニカムの壁厚はティッシュぺーパー1枚の厚さといわれる。薄壁化に際しての技術開発課題として、材料関連では原料銘柄の選
定、素地組成の見直し、原料処理方法の開発を、生産技術開発では口金の製造技術開発から効率的な成形・乾燥システムの開発、コージェライトに最も適した焼成条件の設定などが挙げられる。これらの技術開発は各社のノウハウに属するもので、過去に培ってきたファインセラミックス技術の応用であり、日本企業の最も得意とするところである。特に押出し成形工程が重要で、ハニカムの壁厚が薄く、開口率が高くなれば、押出したハニカム成形体の形状が自重で歪みやすくな
るため、成形に用いるはい土には、成形性に優れたレ
オロジー特性が要求される。即ち、成形流動性に優れ（押出し成形の時に粘度が低く）、かつ成形体の保形性に優れる（成形された後は粘度が高い）ことが要求される。薄壁化に対応した原料の微粒化も大きな課題で＜参考資料＞
1）日本ガイシ「ハニカムセラミックス」Ecologyカタ
ログより抜粋
2）日本ガイシ「ハニカムセラミックス」Ecologyカタ
ログより抜粋
3）シーエムシー編「ファインセラミックス先端市場」
p156
4）日本ガイシ「自動車用セラミックス」カタログより抜粋5）日本ガイシ「自動車用セラミックス」カタログより抜粋

ある。成形に使用する口金はスリットの細幅、深溝加6）日本機械工業会連合会、日本ファインセラミック

工、裏孔の小径、深孔加工が要求される。成形口金のス協会編「我が国の機械産業に資するファインセ

スリット部と裏孔部は、はい土を均一速度で押出成形

ラミックス産業技術力及び技術シーズマップ作成」

するために、数μmから数十μmの精度で製作するこp88,（1999）とが要求されている。特に、高セル密度の口金の製作
では、多数孔個所の小径、深孔加工を高精度で実現す

7）「日本ガイシ75年史」p432,（1995）及び「ハニカムの歴史-Human Document」（日本ガイシ編）

ることが必要であり、高度な加工技術（研削加工、放8）「日本ガイシ75年史」p488,（1995）

電加工、レーザー加工等）が適用される。

9）「83-84 ファインセラミックス産業年鑑」（矢野経「多孔質ファインセラミックス」の産業技術の系統化

193

済研究所編）p128,（1983）10）日本セラミックス協会
会資料15）日本セラミックス協会

第27回高温材料技術講習

p2,（1995）より抜粋
山本登講演予稿集より

会資料

p82（1987）

第27回高温材料技術講習

p4（1995）

14）International Symposium on Fine Ceramics Arita
'87

194

会資料

第27回高温材料技術講習

p3,（1995）

17）日本ガイシ「自動車用セラミックス」カタログ12）International Symposium on Fine Ceramics Arita
13）日本セラミックス協会

p3,（1995）

16）日本セラミックス協会

11）日本ガイシ「自動車用セラミックス」カタログ

'87

会資料

第27回高温材料技術講習

山本登講演予稿集より

p82（1987）

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.12 2008.March

より抜粋
18）日本ガイシ「自動車用セラミックス」カタログより抜粋

6 ディーゼル・パティキュレート・フィルター（DPF）
まま圧力損失が増加すれば、エンジンの停止もあり得

6.1 社会の背景る。従って、DPFに堆積したPMは定期的に除去する必要があり、除去方法としては、エンジン燃料噴射量

CO2排出が少なく環境に優しいディーゼルエンジンを増加することで、排気ガス温度を上昇させ、PMをは、ガソリンエンジンに比較して、燃費が良好なため、燃焼させる再生方法が採用されている。近年DPFに酸バス、トラック、トラクターなど大型自動車には世界化触媒を担持し、排気ガス温度を上昇させてPMの再的に普及しており、欧州では普通自動車においてもガ

生性能を向上させた後、処理するシステムが採用され

ソリンエンジンとほぼ同数まで搭載されている。しかており、この触媒によるPM燃焼性向上は、再生頻度

し、ディーゼルエンジンはガソリンエンジンに比べ、の減少による燃費向上が期待されている。さらにPM

スス等の浮遊粒子状物質（PM：Particulate Material）の除去ばかりでなく、排気ガスのもう一つの成分であの排出やNOxの排出が多く、各国においてディーゼル

るNOxも同時処理可能な高機能DPFシステムの開発も車に対するPM及びNOxを対象とした規制が大幅に強進んでいる。この方式は酸化触媒に加えて、NOx吸蔵化されつつある。規制で先行するEUでは2005年10月

触媒も付加したシステムである。こうした多機能DPFに「ユーロⅣ」が発効し、さらにより厳しい「ユーロでは触媒量が増加し、DPF材料の気孔詰まりが発生し、Ⅴ」がトラック、バスでは2008年に、乗用車では2010

PM堆積圧力損失が増加しやすい。多機能触媒に対す年に制定することが決定されている。

る気孔の最適化を進め、更なる低圧力損失化を志向す

こうした社会要請に対応するため、燃料、エンジンの改良並びに排気ガス後処理装置の技術開発が急テンる必要が出てきており、高気孔率材料の検討が進められている。

ポで進みつつある。現状では、PM低減には、ディー
ゼル・パティキュレート・フィルター（DPF）を採用する方策が最も有効であり、世界各国のディーゼル自動車メーカーともDPFを採用している。 DPFはハニ
カム担体の両端面を交互に目封じし、排気ガスが壁内の気孔を通過する際に、排ガス中の微粒子をハニカムの多孔質壁面で濾しとる構造で、ウェールフローハニ
カムと呼ばれ、PMの大幅な低減には不可欠な要素技
術と位置付けられている。DPFでPMを捕集する仕組

図6.2

DPFのPM捕集の仕組み

2）

みを図6.2に示す 。
車の走行とともに、DPFの多孔質隔壁表面にPMは堆積し、その量に比例して圧力損失が増加する。その

図6.1

日米欧のディーゼル車排ガス規制1）「多孔質ファインセラミックス」の産業技術の系統化

1956.2 DPFの種類と製造技術
多孔質ファインセラミックスからなるDPF材料としては、現在炭化ケイ素（SiC）とコージェライト（2MgO・2Al 2O 3・5SiO 2）が用いられている。両材質の特性比較は下表のとおりである 3）。
DPF材料の比較
熱伝導率：

コージェライト ＜ 炭化ケイ素

熱膨張率：

コージェライト ＜ 炭化ケイ素

PM堆積限界： コージェライト ＜ 炭化ケイ素

図6.4

コージェライト-DPF5）

溶損温度：

コージェライト ＜ 炭化ケイ素

車載時強度：

コージェライト ＜ 炭化ケイ素

6.3及び図6.4に示す。SiC-DPFは分割したセグメント

排気損失抵抗：コージェライト ＜ 炭化ケイ素を接合したもの、コージェライト-DPFは一体成形し製造コスト：たものである。

コージェライト ＜ 炭化ケイ素

SiC-DPFは高温に強いため、PMが堆積限界に達し

6-2-1

SiC（炭化ケイ素）―DPF

たところを一気にまとめて燃焼させることができる。

SiC材料は耐熱性、耐食性に優れ、高い熱伝導率を

これは燃費に有利である。燃焼させるPM量が多けれ有する材料であるが、難焼結材料でもあり、単独で焼ば発熱量が多い。しかし、SiC-DPFは排気抵抗が大き結するには2000℃以上の高温焼成が必要である。しかいという欠点があるほか、熱膨張率が大きいため、一もSiCは高温で容易に酸化されるため、非酸化性雰囲

つの大きなハニカムとして製造すると、焼成中に熱膨気で焼成する必要がある。SiC-DPFのトップメーカー

張により割れやすい。それを防ぐため、いくつかのセであるイビデンは、同社独自に開発した易焼結性β-

グメントに分割し、それを接着して一つのDPFにしてSiC粉末を用いて、SiC焼結体を作ることに成功し、そいる。接着剤の部分は、PMを捕集するフィルターとの製造技術を活用してSiC-DPFの事業化を世界ではじしての役目を果たさないので、一体成形できるコージ

めて成功した。同社のSiC焼結体は、低融点の添加物

ェライトDPFより排気抵抗が大きく、かつ製造工数もを含まないSiC単味の構造体であり、耐熱性に優れ、増えるので、製造コストも高い。

高熱伝導率であり、熱の放散に有利である。これら耐両材料の特徴を活かして、長距離を安定して走行す

熱性に優れるSiC焼結体を得る技術は、同社が揖斐川るトラックは、熱負荷の変動が少ないため、熱伝導率

電工時代に永年培ってきたカーボン、カーバイドの技の小さく、コストの安価なコージェライト製DPFが、術が十分に活用されたものである。一方、コージェラ

発進・停止を繰り返す小型トラック、乗用車用は熱負イト-DPFで先行した日本ガイシはSiC-DPFの製造に当荷が大きいため、熱伝導率の大きいSiC-DPFが用いらたり、2000℃以上の焼成ではコスト高となるため、Siれている。SiC-DPFとコージェライト-DPFの概観を図

金属とSiCの複合材料とする方式で焼成温度の大幅な低減（焼成温度約1300℃）を実現した。さらに複合材料化により、SiCの欠点である耐熱衝撃性を改善している。図6.5に再結晶SiC-DPFとSi結合SiC-DPFの構造と特徴を示す 6）。
SiCは、熱膨張率が大きいために、急激な温度変化を受けると膨張・収縮が大きくなり、したがって耐熱
衝撃性は本来弱い材料である。例えば、DPF内にたまった黒鉛微粒子を燃やして除去しようすると、燃焼時に急に高温にさらされ、熱膨張によるクラックが入る心配がある。この問題を解決したのは、ハニカムの断面サイズを小さく分割した基本ユニット（イビデンの

図6.3

196

SiC-DPF コージェライト4）

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.12 2008.March

場合、縦・横35mm角）の組み合わせにすることで熱技術を活用して、1980年代にSiC-DPFの開発に着手した。当初は一体成形を試みていたが、押出し成形の困
難さ、焼成中にクラックが発生するなどでうまく行かなかった。SiCは、一般の酸化物系セラミックス材料に比べても可塑性に乏しく、押出し成形が難しい。そのため、成形性を改善するための有機バインダーの研究が重要である。またSiCは熱膨張率が比較的大きいため、焼成中やDPFとして使用中に急激な熱膨張・収縮によるクラックを防止するため、熱応力を低減させる必要
図6.5があり、その目的で6章2節で述べた如く、小さなセグ

Si結合SiC-DPFと再結晶SiC-DPF

メントを接合した構造を採用したわけである。
膨張の歪みを炭化ケイ素の限界内に収めた事による。

SiC-DPFの製造は、原料として粒径の異なるSiC粉

標準的な基本ユニットの長さは各社で異なるが、例え

末、またはSi金属粉末とSiC粉末を水と有機バインダ

ばイビデンの場合は6インチ（約150mm）で、4角柱のーを加えて混練した後、小さなセグメントを押出し成穴が200セル（1平方インチ当たり）開いている。日本

形し、目封じした後、再結晶SiCの場合は約2000℃で、ガイシの場合も寸法は異なっても、基本ユニットを組金属SiとSiCの複合材料の場合は約1300℃で焼成する。

10）

み合わせる方式は基本的には同様な製造方法である 。
SiC-DPFは、過去にも建設機械のディーゼルエンジ

焼成して得た小さなセグメントは接着剤で接合することにより、必要なサイズの一体型DPFを得る。

ンに一部で応用されていたが、本格的に自動車に採用

これら一連のSiC-DPFが日本で最初に開発に成功しされたのは、2000年春にフランスのプジョー・シトロ

た理由は、下記の技術バリアを克服するために必要なーエン（PSA）が排気量2.2Lの小型ディーゼルエンジ

コアテクノロジーの一部をすでに保有していたか、まンに搭載されたのが世界で初めてと言われる。その後、

たは新たに開発できたからである。

ユーロ規制の厳しいヨーロッパを中心に急速に拡大し

1）易焼結性の炭化ケイ素原料粉末の開発と実用化、たのは前述の通りである。DPFの浄化性能は、JISに

2）熱膨張率の大きいSiC大型サイズの焼結体を得るた

よるディーゼルエンジン排ガス成分測定法によると粒

め、小さく分割したセグメントを接着し、焼成時

子状黒鉛は100％、HC（炭化水素）は86％除去できる及びDPF使用時の熱膨張・収縮を接合部分で吸収データが得られている。DPFを搭載することは、エンする構造を新たに開発したこと、

ジン排気系の圧力損失増加につながり、車の燃費を低

3）可塑性の少ないSiC粉末の押出し成形に成功したこと、下させることになる。こうした圧力損失増加は可能な

なお、多孔質ハニカムセラミックスの押出し成形

限り小さくすることが望ましい。この課題解決に際し技術は、5章で述べたように自動車排ガス浄化用ハて、DPFは多孔質材料の気孔特性とセル構造の最適化

ニカムですでに開発されており、可塑性の乏しいを進め、内部に存在する気孔が連通してセラミックス

SiC材料に押出し成形に適した可塑性を与える有機

材料内部の流体透過性を確保している。

バインダーの研究・開発により成形可能となった。

SiC-DPFの製造工程

再結晶SiC-DPFの場合は、低融点（1415℃）金属Si

SiC-DPFの製造工程を図6.6に示す 7）。

を含まないため、耐熱性に優れ、金属Si結合SiC-DPF

イビデンは、同社が1970年代に独自に開発したSiC粉の場合は、耐熱性は劣るが、耐熱衝撃性に優れるとい末を用いて、SiC焼結体の技術を完成させていた。このった特徴がある。いずれもDPFとして有効に機能発揮している。
現在、SiC-DPFは主に欧州乗用車向けに用いられており、世界中のシェアをほぼ独占する日本メーカーの
近年の生産量も急拡大している。
6-2-2

コージェライト-DPF

コージェライトは、ガソリン車排気ガス浄化用触媒
担体の材料として、約5億個以上の生産実績を持つ耐熱
図6.6

SiC-DPFの製造工程

衝撃性に優れた材料である。この材料を用いたDPFは「多孔質ファインセラミックス」の産業技術の系統化

197

1990年代からすでにフォークリフト、市バス、建設機にも、コージェライトの方が有利であり、この点から械等の用途に限定的に採用されており、最近は規制強もコスト重視のトラック、バスなど大型ディーゼル車化の面から日米のトラックメーカーを主体として、採への応用が中心である。

8）

用が増加している 。コージェライトは低熱膨張のため、耐熱衝撃性に優れており、SiC-DPFのように応力低減構

6-2-3

DPFの開発経緯造、すなわちセグメント化の必要がなく、一体成形にDPFがディーゼル自動車から排出される黒鉛微粒子

よる製造が可能である。従って、製造工程はSiC-DPFのの捕集装置として検討されたのは、わずか30年前のこ製造工程のセグメントを接合する工程が省け、また焼とである。その後、世界的な排出ガス規制の強化から成温度も1200-1300℃と低温度のため、低価格という優研究開発が急ピッチで進められ、比較的短期間で開発位性がある。製造工程としては、大型のハニカム製造

し、事業化に成功し、今後とも更なる成長が期待され工程に、目封じ工程が追加されたものである。

る事業分野とみなされている。表6.1にDPFの開発経

6章2節で述べたごとく、SiCとコージェライトの緯の概要を示した 9）。

DPFは、車種により使い分けられている。SiC-DPFは現在、乗用車用SiC-DPFの市場は日本が95％のシェア

耐熱性が高く、熱容量が大きいため、主に走行モード

を占めており、バス・トラック用コージェライト-DPF

が不安定で乗用車向けに欧州を中心に採用されていの市場は日本が50％のシェアを持つといわれている。

る。乗用車は様々な状況の走行に使用され、短距離走

乗用車向けSiC-DPFとトラック・バス用コージェライ

行の繰り返しでは黒鉛微粒子（スス）の堆積が多いた

ト-DPFの生産比率は約5：1と圧倒的にSiC-DPFの方がめ、耐熱性に優れたSiCが有利だからである。また、多く、今後とも欧米日を中心に世界的なデイーゼル乗ススをできるだけ多く堆積できるようにSiC-DPFは大用車の排出規制の強化が計画されているため、この比型にする傾向にある。一方、トラックは長距離走行が率の傾向は変わらないと思われる。

主体であり、排気ガスが高温となり、DPFも自然再生

DPFの今後の技術的な課題は、いかにススを多く捕（ススの燃焼）するため、DPFに堆積するススも相対集するか、いかに圧力損失を低減するかであり、多孔的に少なく、従って耐熱性、熱容量の比較的小さいコ体の細孔構造を最適に設計して、最適に制御することージェライト-DPFが用いられている。またコスト的がセラミックスメーカーに要求される技術課題である。

表6.1

DPFの開発経緯

1974

イビデン

易焼結性SiC原料粉末の研究に着手

1985

イビデン

易焼結性SiC原料粉末「ベータランダム」の開発に成功、営業開始

1980年代日米欧でDPFの開発に着手
・耐熱性、低熱膨張材料の開発（トラック・バス用：コージェライト）（乗用車用：SiC）
・大型品押出し成形、口封じ技術の開発
・SiC-DPFを建設機械向けに適用開始

1991

コージェライト製DPF量産開始10）（トラック・バス用：日本ガイシ製）

1993

コージェライト製DPFを米国バス用に納入開始

1998

日欧米でディーゼル乗用車排出微粒子の規制制定される

2000

仏プジョーがSiC-DPFを世界で初めて乗用車に採用（イビデン製）、イビデンがSiC-DPFの量産開始
その後、世界的に乗用車用SiC-DPFの搭載が急拡大

2001

イビデンは仏大手ガラスメーカーのサンゴバンと提携し、「イビデン

DPFフランス」を設立（2002年4月から生産開始）
2001

日本ガイシはSiC-DPFを量産開始11）2004

イビデンは、ハンガリーに生産工場設立、日本ガイシはポーランドでSiC-DPFの量産開始

2006

イビデンのSiC-DPF全世界の累計生産量500万個達成

2007

日欧米の市場：600万個／年（約1000億円）

日本ガイシのコージェライト-DPF累計生産量52万個、SiC-DPF累計出荷193万個
2010

198

〃

：1200万個／年（約2500億円）と推定

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.12 2008.March6-2-4

DPFにおける日系メーカーの強みと弱み

現在、DPFを生産または研究開発しているメーカー
は、下記のとおりである。
日本：イビデン（SiC）、日本ガイシ（SiC、コージェ
ライト）、日立金属（コージェライト）、デンソー（コージェライト）、TYK（SiC）
海外：Corning（コージェライト）、Bosch（コージェライト）、Saint-Gobain（SiC）＜参考資料＞
1）日 本 ガ イ シ 社 内 報

みずほ12月号より抜粋（2007）
2）北川潤 「工業材料」 Vol.38, No. 9, p51 （1990）

3）丸山正明「日経メカニカル」12月号

pp.64-65（1999）
4）FCレポートVol. 42, No. 6, p43 （2007）

5）TYKカタログ「SiC-DPF」, 及び日本ガイシカタ

ログ「ディーゼル排気ガス用ハニカムセラミック
現状では、乗用車用SiC-DPFは、イビデン（シェア50％）、日本ガイシ（45％）、Saint-Gobain（5％）、ト
ラック・バス用コージェライト-DPFは、Corning（シェア50％）、日本ガイシ（45％）、デンソー・Bosch（5％）と言われており、日本の2社が圧倒的に優位に
12）

ある 。

理由は、ハニカムで培ったセラミックスの細孔径に関する技術、自動車の排気系関連技術のノウ
ハウ、自動車メーカーとの永年にわたるつながりがあス」より抜粋
6）日本ガイシカタログ「ディーゼル排気ガス用ハニ
カムセラミックス」より抜粋
7）「セラミックス」協会誌

Vol.42, No.6, p432

（2007）
8）FCレポート9）イビデンVol. 12, No.12, p316 （1998）

ホームページ「技術の変遷でみるイビデンの歴史」より抜粋

る。さらに、日系メーカーの特徴である層の厚い技術

10）「日本ガイシ75年史」p573,（1995）

者・技能者等に基づく品質管理体制、生産体制、製品

11）日刊自動車新聞に対する高い信頼性、客先に対する柔軟な対応などが12）化学工業日報ある。しかし近年、DPFの工場が電力コスト、人件費

13）日本ファインセラミックス協会編「平成18年度無が安く、需要地に近い欧州や中国に建設されるケース

機新素材産業技術対策調査（ファインセラミックが多い。例えば、イビデンはフランス、ハンガリーに、ス技術対策俯瞰調査研究）」 p99, （2007）2007年3月26日発行
2007年11月22日発行

日本ガイシはポーランド、中国に海外拠点を建設済み
である 13）。この傾向はますます強まるものと思われ、長期的にみれば日本国内の技術競争力の低下が懸念される。

「多孔質ファインセラミックス」の産業技術の系統化

199

7 セラミックフィルター
セラミックフィルターはセラミックスの持つ耐熱性、高強度、耐食性とフィルター機能の分離、ろ過などの特性を併せ持つものであり、近年特に大気、水質の浄化などの環境対策材料として最も期待されているものである。広義のセラミックフィルターとしては、
下水処理用の陶磁器製散気板、散気筒も含まれるが、ここではファインセラミックス材料を用いて細孔制御されたものに限定した。フィルター材料として金属、
プラスチックも一部に用いられており、コスト的には
図7.1

有利であるが、金属は耐熱性、耐食性の点で劣り、プアルミナフィルターの構造1）

ラスチックは耐熱性、強度の点で問題があるため、用途が限定的である。従って、フィルター材料としては、セラミックスが最も広範囲に使用されており、今後ともさらに応用範囲が拡大するものと期待される。
セラミックフィルターに関する研究は、1940年代にウランの濃縮を目的として始まった。1980年代に入ると、UF膜（Ultra Filtration：限外ろ過膜）やMF膜

図7.2

セラミックフィルターの細孔径と分離膜の関係2）（Micro Filtration:精密ろ過膜）といった広い範囲をカバーする分離膜が開発され、今日の水処理や食品分野、バイオ分野へと用途が拡大していった。現在では、さ7.2 セラミックフィルターの材質と特性

らに将来の水素社会に対応して、水素分離膜が国家プ

フィルターの材料は、細孔特性とともに重要であり、ロジェクトで取り上げられるなど、ガス分離膜の開発

また用途に応じて使い分けられている。表7.1に代表が最大のテーマとなっている。

的な材質、細孔径、用途を示す 3）。アルミナ（Al 2O 3）が最も一般的に使用されている。またフィルターの形

7.1 セラミックフィルターの構造

状はレンコン状が最も多く、その用途に応じてパイプ（管）状、円板状等に成形される。

セラミックフィルターは、隣り合う原料粒子相互の空隙による空間を利用し、特定物質を分離するもので

表7.1

セラミックフィルターの材質と特性あり、特定物質の通過や捕集をするためには、シャープな細孔径を必要とする。そのためには、原料粒子の粒径を制御し、細孔径を精密に制御することが重要である。細孔径を制御することにより、分離膜としての機能が向上する。図7.1に代表的なセラミックフィル
ターとしてアルミナフィルターの外観、膜断面を、図7.2にセラミックフィルターの細孔径と分離膜の関係を示す。図7.1に示すアルミナフィルターの場合、フィルター全体を支える基材部と、分離機能を持つ表面
膜部とその中間に成膜性を向上させるための中間層の3層構造となっている。製法は、まず大きな粒子から

7.3 代表的なメーカーと製品例

なる基材部を成形、焼成し、その上に中間層を成形、焼成し、最後に分離膜にふさわしい粒子径の原料を成
形、焼成を繰り返して、フィルターとしている。

表7.2にセラミックフィルターの代表的なメーカーと製品例を示す 4）。セラミックスメーカーが中心であるが、その他にも広範囲な産業分野からの参入が見ら200

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.12 2008.March表7.2

セラミックフィルターの代表的なメーカー「多孔質ファインセラミックス」の産業技術の系統化

201

れ、また用途も極めて広範囲である。
表7.2に示すように、セラミックフィルターは、各種の水処理用フィルターとして多用され、さらにガス分
離膜、食品・バイオ分野の濃縮に、セラミックスの耐熱性を利用した高温ガス集塵機などに用いられている。
近年は水素分離膜への応用開発が盛んである。以下にセラミックフィルターのいくつかの応用例を示す。図7.3はアルミナフィルターを用いた浄水器であり５）、図7.4はアルミナフィルターを金属アルミニウム溶融中の介在物の除去に応用した例（製品名：ホワイトフィル
ター）6）、図7.5はコージェライト製ハニカム構造のフィルターを高温集塵機に応用した例 7）、図7.6はノリタ
ケカンパニーリミテッド製のガス分離膜の例である。
いずれも高比表面積、耐熱性を利用したセラミックフ
ィルターである 8）。ガス分離膜はナノよりさらに一桁
小さなサイズの細孔をもち、ガス分子の大きさの違いを利用して分離するもので、他の分離法に比べてエネ
ルギー消費の少ないプロセスとして期待されている。
図7.7は光触媒セラミックフィルターで、ベースのセラ

図7.4

アルミナフィルターを用いた
ホワイトフィルター

ミックフィルター表面に光触媒の酸化チタンをコーテイングし、悪臭や細菌などの有害物質を分解するため、脱臭、除菌用に応用されている 9）。従来の活性炭を用いたフィルターは、有害物質を吸着させて除去するた
め、飽和するが、光触媒は有害物質を二酸化炭素と水に分解するので、フィルターの寿命が長く、また水洗により繰り返し使用できるなどの特徴がある。

図7.3

202

アルミナフィルターを用いた浄水器

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.12 2008.March

図7.5

高温集塵機

図7.6

ガス分離膜

メーカーも独自に開発しているのに対して、海外ではベンチャー企業が中心であり、現状では日本の優位性は保たれている。特に、セラミック材料（膜素材技術）の開発、それをフィルター（膜）に製造する技術（成膜技術）にも優れており、膜の性能では世界をリードしている。しかし、フィルター部材をモジュール化し、分離システムにまで仕上げる段階では、米欧も優れており、今後はセラミックフィルター分野で世界をリードするためには、この分離システムの構築が今後の課題である。そのためには、セラミックフィルターを製造するメーカーだけでなく、エンジニアリングメーカーとの共同開発が不可欠である。
なお、ガス分離膜の開発に参加しているメーカーは、
ノリタケカンパニーリミテド、日本ガイシ、三井造船、
図7.7

物産ナノテク研究所などであり、大企業中心である。

光触媒フィルター＜参考資料＞

7.4 日系メーカーの強みと弱みと今後の課題
セラミックフィルターの特性を充分に活かすためには、フィルターそのものの特性が優れていることはも

1）日本ガイシ

カタログ「セフィルト」より抜粋

2）日本ガイシ

カタログ「セフィルト」より抜粋

3）日本ガイシ

カタログ「セフィルト」より抜粋

4）東レリサーリセンター編「多孔性セラミックスの

ちろん、フィルターをモジュール化する技術も重要で新展開」ある。フィルター分野の中で、世界的にも今後最も重5）日本ガイシ要と思われるガス分離膜について、要素技術別に日本
10）と海外を比較検討すると、表7.3の通りである 。

表7.3 ガス分離膜の要素技術別の国際比較

水器

p5, (1998)
カタログ「セラミックフィルター浄C1」6）NGKアドレック

カタログ「ホワイトフィルター」

7）NGKアドッレク

カタログ「高温集塵機」

8）ノリタケカンパニーリミテッド

カタログ「ガス分離機」
9）盛和工業株式会社

ホームページ「光触媒フィル

ター」より抜粋10）日本ファインセラミックス協会編「平成18年度無わが国は、ガス分離膜の開発を産官学連携で国家プ
ロジェクトとして実施している他、主要なセラミック

機新素材産業技術対策調査（ファインセラミック
ス技術対策俯瞰調査研究）」

p105, (2007)「多孔質ファインセラミックス」の産業技術の系統化

203

8 多孔質ファインセラミックス技術の系統化
ファインセラミックス技術は、設計技術、原料調整

おいては、粘土などの原料を調整する場合、原料中に技術、成形技術、乾燥技術、焼成技術、加工技術、接空気の泡を取り込まないように菊練りという独特の混合技術、非破壊検査技術などの要素技術から成り立っ

練方法が用いられていた。成形においては、ロクロ成ている。これらの要素技術は陶磁器に代表される伝統形や石膏型を用いた鋳込み成形が古くから用いられて的セラミックス技術の基盤の上に、さらに現代社会、いた。また焼成工程では、燃焼効率の良い登り窯が用

特に情報・通信、環境・エネルギー等の分野から強いいられていた。しかし、伝統的セラミックスは、性能、要請を受けて開発されたものであり、資源が乏しく、寸法精度などに限界があり、現代の情報・通信、環モノ作りによる高付加価値化を追求するわが国にとっ境・エネルギー分野への応用については、その厳しいて、極めて相応しい技術領域である。多孔質ファイン要求仕様に応えることは、一部を除いてほとんど不可

セラミックス技術は、このファインセラミックス技術能であった。例えば、伝統的セラミックスは天然原料の基盤の上に、さらに多孔体の製造技術、低熱膨張化を用いているため、不純物が含まれ、従って、耐熱性、技術を応用したものである。図8.1に多孔質ファイン

高温強度などの低下は避けられない。また、焼成後のセラミックス技術の全体像と技術発展の推移を示し

セラミックスは焼成中の収縮のため、複雑形状のもの

た。

は作りにくく、かつ寸法精度も悪い、さらに硬くて脆

瀬戸焼や有田焼に代表される伝統的セラミックス

いというセラミックスの脆性のため、従来の砥石を用は、原料混合、成形、焼成などの工程において、昔かいた加工方法ではクラックが入りやすく、従って、伝ら日本独特の技術を有していた。例えば、原料混合に統的セラミックスは工業材料としての用途は極めて限

図8.1

204

多孔質ファインセラミックスの技術系統化

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.12 2008.March定的であった。

非破壊検査技術などの開発が製品の信頼性向上に大き昭和40年代から始まったファインセラミックスブー

く貢献し、これらの集積として今日のファインセラミ

ムにより、日米欧でファインセラミックスの開発競争

ックスの隆盛に至ったわけである。3章で述べた如く、が盛んになり、セラミックスの性能、信頼性が飛躍的

日本のファインセラミックスが技術、生産量とも世界に向上した。その結果、ファインセラミックスの優れをリードしている要因を要約すると、古来から日本各た耐熱性、高温強度、耐食性などを活用して、従来の地で継承された優れた陶磁器製造技術をベースに、昭金属、プラスチックの性能限界を超えることを期待し、和40年以降、モノ作り技術立国、特に材料技術を重視

これらを代替する工業材料として、徐々に使用されるした国の支援の下に、産官学が一体となって開発に取ようになり、次第に認知されてきた。セラミックスはり組み、基盤技術を確立し、さらに客先の厳しい要求

耐熱性、高温強度、耐食性などに優れる反面、脆性とに応えるため、多くのセラミック専業メーカーが高レ

いう致命的欠点があり、このことが特に構造材料としベルの開発競争にしのぎを削って、高性能、低コスト、ての用途の障害となっていた。その欠点を解決する手

高信頼性のファインセラミックス部材の開発に成功し段として、微細で均一な粒径の高純度原料や非酸化物

た成果である。これら世界をリードするファインセラ

原料の合成技術、最終製品に近い形状に成形するニア

ミックス製造技術の基盤の上に、多孔体を製造する技

ネット成形技術、気孔のほとんどない焼結体を得る焼術、押出し成形等による低熱膨張化技術などをタイミ

成技術、加工傷による性能低下をもたらさない加工技

ングよく開発したことが、わが国がハニカム、DPF、術など各工程の着実な改善、及びセラミックスの脆性

セラミックフィルターなど多孔質ファインセラミックを補う設計技術や製品中の微小なクラックを検出する

ス事業の優位性をもたらしたものといえる。

「多孔質ファインセラミックス」の産業技術の系統化

205

9 考察及びまとめ
日本古来の陶磁器を中心とした伝統的セラミックス

必ず窯業を専攻する学科があり、多数の優秀な技の技術を継承・高度化し、現在の産業技術の発展に合能者を送り出し、ファインセラミックスの技術基わせて成長してきたファインセラミックスは、その優盤を支えてきた。

れた特性を活用して時代の要求に応えてきた。特に、

7）セラミックスの製造に必要な設備や部品(精密金型

金属、プラスチックに比べ優れている耐熱性、高温強等)のメーカー、セラミックス部材を加工するメー

度、耐食性などを利用して、従来は電気・電子・情報

カーなど、日本には優秀な技術を持つ中小企業が分野が主流であった応用分野が今後は21世紀の最も重多く存在し、ファインセラミックス産業を下支え要な分野である環境・エネルギー分野で、課題を解決してきた。

する必須材料として位置付けられている。日本のファインセラミックス産業は、技術・生産量とも世界をリ

これらの優れた背景の下に、本稿では多孔質ファイードしていると言われているが、その要因として次のンセラミックス製品についてその代表であるハニカ

ことが挙げられる。

ム、DPFを中心に事業化にいたるブレークスルー技術

1）日本古来の伝統的セラミックスの技術・ノウハウを探索した。ハニカムは世界のシェアの約50％を占め、を継承し、その技術的な高度化に熱心なファイン

DPFは世界の約90％を占めている。特にDPFに使用さセラミックスメーカーの多くが、陶磁器など伝統れるコージェライト、SiCの2材料のうち、今後急激な的セラミックス産業の近くに立地していた。

成長が期待される乗用車用のSiC-DPFは日本が約95％

2）セラミックス専業メーカーの数が多く、しかもメのシェアを占めるなど、この分野の市場を圧倒的に占ーカー間の競争が激しく、また自動車メーカーなどユーザーからのコスト、性能、信頼性、納期にハニカムの開発においては、極めて熱膨張の低いコ対する要求が厳しいため、事業化のためには技術ージェライト材料の開発、押出し成形法の開発を客先の高度化が厳しく要求された。

の厳しい要求に応えて短期間に成し遂げた。特に、材

3）産官学連携および国の研究開発プロジェクトが継料の開発にあたっては、押出し方向に低熱膨張の軸を続していたため、実用化までの期間が長いファイ

揃えるという特殊な現象を日本ガイシの技術者が偶然

ンセラミックスのような素材産業に有利であった。

に見出したことに基づいており、セレンディピテイとしかも、日本の国家プロジェクトは欧米に比べ、もいうべき発見を元に、技術を完成させた。これも永民生用が中心であり、成果の早期事業化に有利で年にわたり蓄積してきたセラミックス材料技術の経あった。

験・ノウハウに基づき、偶然の発見を必然の技術に導4）メーカー、国とも知的所有権(特許)、標準化に熱いている。また、低熱膨張材料の開発にあたっては、心であり、特に標準化に関して、国の政策として

極めて精密な熱膨張特性の測定方法が要求され、セラ積極的にJIS、ISOに取り組んでいた。例えば、ISO

ミックスの熱特性の測定技術の進歩が貢献している。

のファインセラミックス分科会であるTC-206は日DPFの開発においては、世界のトップメーカーである

本が主導して立ち上げ、その国際幹事を発足以来、イビデンが永年にわたるカーバイド、カーボンの経日本が務めている。また、ファインセラミックス

験・ノウハウを活用して、易焼結性SiC粉末、及びそに関するISO原案は、日本から提案のものが60％以れを用いた焼結法を独自に開発していた。その上、ハ上を占めている。

ニカムで開発した押出し成形技術の応用、及び熱膨張

5）日本の生産管理、品質管理は優れており、ファイの比較的大きいSiCの熱応力を緩和するため、小さなンセラミックス部材の信頼性の点で世界的な信用セグメントを接合することにより、焼成時及びDPFとを得ている。

して使用時の熱衝撃を吸収する構造を開発したこと、

6）多数の優秀な技術者、技能者がいた。東工大、名206有している。

などが技術革新として挙げられる。

工大等の大学にセラミックスの科学と技術を専攻

しかし、近年は若者のモノ作り離れ、生産工場及びする窯業工学科や無機工学科があり、そこから多開発部門の海外進出が多く、そのため国内技術部門の数の優秀な研究開発・技術者を輩出した。また、空洞化、ナノテクノロジーに代表される海外の大規模

伝統的セラミックスメーカー近くの工業高校には、な国家プロジェクト等により、日本の優位性は脅かさ

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.12 2008.March

れており、今後ともその優位性を維持するためには、産官学にわたる一層のたゆまぬ開発努力が要求される。

謝辞
今回の調査では多くの方々にご協力頂きました。特に下記の方々には、データの提供等で多くのご協力を頂きました。ここに深く感謝の意を表します。
日本ガイシ株式会社

酒井

均氏、阪井

博明氏、

六分一正一氏、
日本ファインセラミックス協会
イビデン株式会社

内藤

理氏、

駒木

秀明氏、渡辺

伊藤

康隆氏

正一氏

「多孔質ファインセラミックス」の産業技術の系統化

207

多孔質ファインセラミックス登録候補一覧

208

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.12 2008.March

国立科学博物館
技術の系統化調査報告 第12集
平成20（2008）
年3月28日■編集

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国立科学博物館

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