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表1

各種材料の熱伝導度

はじめにセラミックスは一般的に高融点で，硬く脆いこと，熱伝導度，電気伝導度，熱膨張係数などの物性値が金属材料に比べて小さいことなどの特徴がある．表１，表２ならびに図１に各種セラミックスの熱伝導率，線膨張係数な
らびに融点の比較結果をそれぞれ一覧表として示した1)．
これらの独特の性質はセラミックスの原子間結合様式に原因がある．図２に概念図として示したように1)，金属材
料は自由電子を媒介とした金属結合様式をとるのに対して，セラミックスは共有結合（隣接原子間で外殻電子を共有する）やイオン結合（陽イオンと陰イオンの静電力で結合）といった特異な電子構造をとり，上記の物性の他に金属材料では得られないような電磁気特性なども発現する機能材料である．

表2

各種材料の線膨張係数

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を活かしつつ，それぞれの素材が単一状態では成しえない性質を現出せしめ，よって工業的に有為な部品・構造体の創出に寄与する．セラミックスと金属のような結合様式の異なる材料の接合では，異材界面特性や素材の物
性の違いに起因する種々の「接合にとって不利な状況」
が存在し，その克服を目指した材料科学的ならびに材料
力学的なアプローチが続けられてきている3)．
本解説では，セラミックスの接合における界面の問題に焦点を当てて，その接合機構の基礎的な考え方を説明する．

セラミックスの接合セラミックスを接合する場合，高融点であることが融接法の適用を困難にし，脆性材料であることが圧接法の適用を制限する．したがって，ロウ接や拡散接合が現実
図1

セラミックスおよび金属材料の融点的な接合手段となる．これまでに成功しているセラミッ
クス／金属の接合方法として，ロウ接4)，拡散接合5)，陽極
接合6)などがある．
ロウ接は母材の融点以下で液相になる金属材料（ロウと呼ばれる）を接合界面に置いて，全体あるいは接合界面近傍を加熱し，溶融したロウの濡れ広がりと同時に進行する母材との化学結合により接合を実現する方法である．我が国において古くは奈良の大仏の造営に，新しくは国産 H2A ロケットに本接合法による部材が採用されて

図2 原子結合様式の分類(a)共有結合、(b)イオン結合、(c)金属結合

いる．
拡散接合は母材を機械的に接触させて，母材が塑性変形しない程度の荷重を負荷した状態で構成元素の拡散が可能な温度まで加熱して接合する方法である．精密接合に分類される接合法である．
陽極接合法は電位勾配下におけるイオン結晶特有のイオン伝導挙動と接合界面における静電引力ならびに酸化反応を基調とした接合法で，ガラスと金属の接合法として知られている．なお，樹脂をベースにした複合材料の場合は接着剤による接合が主であるが，その詳細は他書に譲る7)．
これらの接合法を用いて金属とセラミックス・複合材
料のような異材を接合する際，「強い接合体」を得るための接合プロセス開発が主眼となるが，科学的な根拠ならびに論理に立脚したものであることがさらなる技術革新
へとつながり，発展していく．その意味において，接合

図3 複合材料の分類(a)粒子分散型、(b)繊維分散型、(c)長繊維配向型、(d)積層型が進行する界面の本質ならびに材料学的な要素界面現象の基礎を理解しておくことは重要である．

金属／セラミックスの接合における要
素現象
セラミックスと金属あるいは炭素繊維と樹脂といった異種素材の混合組織を有する複合材料は強化要素の存在

まず，ロウ接プロセスに沿って要素現象を取り上げて形態により力学的異方性を強め，あるいは傾斜機能特性

いくことにする．ロウ材が溶融する温度域に保持されたを持たせるなど，人為的・直接的に固体空間の設計制御

状態で，⑴溶融金属と母材との間の濡れ，⑵溶融金属とができる．素材の複合化のパターンをいくつかまとめて母材との間の界面を通した拡散，⑶固液界面における相図３に示しておく2)．

反応が進行する．この段階で溶けているロウと母材はところで，多くの魅力的な性質を示すセラミックスを「接合」されている．次に冷却過程において，⑷凝固，金属材料と接合・複合化することはセラミックスの特徴⑸固相間の拡散・相反応，⑹熱ひずみが生じて最終的に

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柴柳：セラミックスの接合

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ロウ付された接合体を得る．このように，ロウ接では固
液界面と固相界面それぞれにおける界面現象を主題とす
る材料現象に力学的要素現象が重畳した複雑系が研究対象となる．
ロウ付の実際を考えてみよう．まず，ロウ付温度が挙げられる．これはロウ材の組成により決まるが，ロウ付
温度が母材組織にも影響を及ぼしていることに留意すべきである．当然のことであるが，ロウ付温度以上で接合部材を使用することはあり得ない．次に，固液界面での濡れ現象があるが，これがロウ接の最も重要な要素現象である．後述するが，濡れない界面状態ではロウ付はできない．できたとしても強度は低い．このために，例えばチタンを微量添加するなどして反応性を高めたり，真図4

Cu と Al の傾角対称粒界のエネルギーと傾角の関係（計算結果）

空雰囲気を利用するなどして，液相が母材に濡れるように工夫している．ロウ材自身の凝固組織やそれに起因した強度も接合体の強度に影響する．また，界面強度も接結晶状態にあり，各材料特有の結晶構造を有する．この合部組織設計において重要な検討課題になっている．最結晶構造については，試料座標系における結晶座標系の後に接合界面に作用するものが熱ひずみである．セラミ基準軸との相対的な関係を考えるとき，複数の方位関係

ックスは金属材料にくらべて線膨張係数が二桁以上小さが存在することは容易に理解できる．これは「結晶方い．熱収縮量の違いにより界面近傍に発生する応力の値位」と呼ばれる概念で，材料組織を記述する重要な要素

が界面，ロウ材あるいは母材のいずれかを上回る場合，の一つである．多結晶は複数の結晶方位を有する小空間

接合部は終了時に既に破壊してしまっている．これでは（結晶粒）で構成された状態を言う．

何にもならない．

結晶界面は異なる結晶方位を有する結晶粒が会合する

濡れ性，界面反応，界面組織発達過程，界面強度，残場所を言い，二次元の結晶格子欠陥として取り扱われ留ひずみなどが，全て考慮されて最適なロウ材選定とロ

る．結晶界面の両側にある結晶粒の相対的な方位関係な

ウ付条件が策定されることになる．最近では，環境に配らびに界面の面方位により結晶界面における「幾何学的慮する理由でカドミウムのような濡れ性向上に有効な元

な」原子配列が規定されるが，その組み合わせは非常に素を用いずに同等の接合性を保障するようなロウ材の開多く，一種類の結晶構造から実に多種多様な界面構造が発が喫緊の課題となっている．

生み出されるのである．

拡散接合の場合は，接触界面の粗度を克服する僅かな結晶の持つ物理的な性質は結晶構造に支配される．結塑性変形と表面拡散を基調とした物質移動，次に接合中晶界面についても同じで，界面原子配列と界面物性は非の界面を横切る相互拡散ならびに界面で進行する相反

常に密接な関係があることが種々の材料について実験的応，そして冷却過程で発生する残留ひずみがある．やはあるいは理論的に明らかにされてきている．同種材料のり，本現象においても界面反応，界面組織発達過程，界結晶界面（結晶粒界と呼ばれる）について一例を挙げ

面強度，残留ひずみが重要要素となる．

る．図４は面心立方構造を有するアルミニウムの粒界エ

次節以降で，接合における要素現象について界面科学の立場から説明していく．

ネルギーと粒界方位差の関係を示したグラフである8)．こ
こでいう方位差とは粒界の両側に位置する結晶粒の相対的な方位差で，共通回転軸の回りの回転角度として定義

界面構造の基礎概念されている．図より，方位差ゼロの単結晶（界面が存在しない状態）から出発して回転角度の増大と共に粒界エ

接合は二つの表面を接触させて一つの界面を創製する

ネルギーは単調に増大するが，ある特定の角度のところ操作と考えることができる．ここでは接合界面の構造をで極小値が現れることがわかる．これは「特殊な界面構

通して異材接合の問題点を浮き彫りにしていこう．接合造」が存在することの証左であり，粒界構造論では「対界面構造という言葉には研究領域によって異なる取り扱

応粒界」と呼ばれる粒界に相当するものである9)．

われ方がある．厳密な意味での界面構造とは界面ならびにその極近傍における原子の配列を言う．接合界面構造と異材界面構造の本質：電子状態いう用語は界面の原子配列を指している場合もあるが，一般的には光学顕微鏡レベルの倍率で観察される界面と粒界エネルギーが粒界構造の関数として変化するといその近傍領域の総称としての意味が強いようである．すう事実は，接合界面の物性を理解する時に原子配列の観

なわち，溶接・接合過程で進行する界面反応の結果とし点からの考察が必須であることを意味する．すなわち，て表れる相を含んだ「界面近傍の組織」を界面構造と称

力学特性など種々の接合特性の最適化を目的とした接合している．本節では前者の界面の原子配列の視点で界面工学における界面問題は，界面原子配列とそれに依存し構造を考えることにする．

た界面結合力の問題に帰着するのである．

固体材料は一般的に構成原子が周期的に配列している

セラミックスと金属の場合，それぞれの結合様式が異
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図5

第一原理計算による炭化珪素とアルミニウムの界面電子密度分布 (a)Si を終端とする場合、(b)C を終端とする場合

図6なることが界面原子結合状態に特有の特徴をもたらす．

Si-C-V 系平衡状態図（1573 K の等温断面図）

先に述べたように，セラミックスは共有結合あるいはイオン結合を有し，金属材料は自由電子を媒介とした金属結合様式を持つ．このように電子の存在状態（局在状状態に改良するメタライズ法や，後述する活性金属を利態）が大きく異なる結晶が出合うとその界面は電子から用してセラミックスの構成元素との反応を利用する方法

みたらどのように映るであろうか．

がとられている．

図５は香山により第一原理分子動力学法を用いて計算された炭化珪素とアルミニウムの界面近傍の電子状態を

界面熱力学と拡散現象示したものである10)．炭化珪素は接合界面において再表面に位置する元素が炭素の場合と珪素の場合に分かれ，図もう少しマクロな立場で接合界面を捉えてみよう．こではそれぞれの場合が計算されている．電子の存在確率

こでは熱力学の考え方をベースにする．熱力学では物質を示す等高線を見ると，セラミックス側ではイオンに束の状態を「相：phase 」という概念で取り扱い，系の温縛された軌道に位置する確率が高いことが分かり，金属度，圧力，組成などを変数とした関数表現により相を記

側ではその局在度合が非常に低いことがわかる．これが述する11)．これは便利な考え方で，セラミックス，金属と基本的な結合様式の違いである．界面に目を向けると，いった分類はここでは不要で，異なる相として平等に取⒜に示した Si 終端の場合ではセラミックス側で局在化しり扱われる．

ているはずの電子密度が減少していることがわかる．す熱力学では相の平衡関係を第一に記述し，これは平衡

なわち，本来，共有結合電子として振る舞うべき電子が状態図として図的に示される12)．状態図は材料設計のためアルミニウムに出合うところでは金属結合様式である自の「海図」とも呼ばれ，我々は状態図に書かれている情由電子としての振る舞いも見せるということである．な

報を元にして組織設計指針策定あるいは異材接合で現れ

お，⒝の C 終端ではこの傾向が認められにくい．このよる反応相の予測などをする．

うに，互いに相手の電子状態の影響を受けて僅かに軌道

セラミックスと金属との平衡状態図の一例として Si-N-あるいは確率密度を変化させることで異材界面の電子構

V の三元系平衡状態図を図６に示す13)．三元系の場合は三造が形成されていることがわかる．これが異材界面物性

角柱として状態図が描かれ，この図は温度 1573 K におけの根源である．

る等温断面図となっていることに注意されたい．四元以

電子状態は界面で会合する各結晶の結合様式や結晶構上になると四次元以上の空間を扱うこととなり，我々の造あるいは実際に出合っている原子の種類や界面原子配取り扱える図法の限界を超える．ただし，数学的には多列，そして界面原子配列特有の界面構造欠陥や他の元素

次元空間を扱えるので，平衡関係の議論において支障はの偏析などによって変化する．これらの因子を反映した

ない．

結果として異材界面の構造と界面物性が関連づけられて図６からは，V と SiC は平衡関係にないことがまずわいく．我々がセラミックス／金属の接合で観測する界面

かる．すなわち，両者を接合すると界面反応が進行し，現象や接合体の強度特性などは，この界面結合状態の寄与

いくつかの反応生成物（相）が現れることを予想できに加えて接合中の諸現象がそれぞれ影響を及ぼし合った

る．SiC と平衡できる相には VC，T 相（V5Si3Cx），VSi2

結果を反映している．複合材料におけるマトリクスと複の三種類あり，V は V3Si あるいは V2C と平衡する．ち

合強化材との界面も同じ概念で理解されるべきである．

なみに V3Si 相は超伝導材料として知られている．実際のセラミックス／金属界面の電子論的特異性は接合にと相反応はこれら複数ある相のどれかが互いにパートナーって有利に作用しない場合が多く，これを克服する手段を選びながら局所平衡関係を満足しながら SiC と V の両として，セラミックス表面近傍を金属的な性質を帯びた者の間に存在するようになる．

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柴柳：セラミックスの接合

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図8

図7

炭化珪素とバナジウムの固相拡散接合界面組織（1573K-64.8ks）(a)反射電子像、(b)各元素の濃度分布

Si-N-Ti 系の化学ポテンシャル図（1573 K）

も有効である．例えば，チタンを取り上げてみよう．チ
タンは活性な金属元素の一つとして知られており，チタンと他の元素との二元平衡状態図を見れば，その多くが「化合物相」を形成することがわかる19)．例えば，水素，では，どの組み合わせが選ばれるだろうか？正解は図７

硼素，炭素といった軽元素やアルミニウム，マグネシウに示された通りである14)．これは 1573K-64.8 ks 後の拡散

ム，銅，鉄といった金属元素や他の遷移金属や重金属と接合対断面組織であるが，SiC / T 相 / V3Si / V2C となっも反応する．その反応性の良さからこの元素は「活性金ていることが X 線回折ならびに組成分析より明らかにさ属」と呼ばれ，例えばロウ材に含めることで接合性が高れている．この段階では，V はすべて消費されて V2C 相まることが知られている20)．チタンはセラミックス／金属となっている．なお，この相の並びを拡散経路（diffusionの接合において重要な役割をはたす一方で，この八方美path）あるいは界面相構造（phase sequence）などと呼人的な性質は「チタンは危険な金属元素」として見なさ

ぶ．なお，図５中に拡散経路を矢印で示しているので照れることにもなり，たいていのセラミックスの構成元素合してみるとよい．

と反応し，セラミックスを「錆びさせる」ことになる．

さて，この拡散経路について見通しの良い説明方法が毒にも薬にもなる元素である．

あるだろうか？化学ポテンシャルという概念がある．詳

界面反応は反応に関与する元素の供給機構としての拡細は文献15を熟読されたい．図８は 1573 K において散現象を基調とする．ここでは拡散の観点から接合過程

Si3N4と Ti の間に存在可能な相の化学ポテンシャルを構についてごく簡単に触れておく．拡散は原子の酔歩運動

成元素の活量あるいは分圧の対数に対して三次元表示し（random walk）が本質で，熱活性化過程を基本として現たものである ．化学ポテンシャル図では各相の領域（多象を数学的に記述することができる21)．拡散の駆動力は着面体の表面だけが意味を持つ）やその境界線を通って一目する元素の濃度差で与えることが多く，Fick の第１，本の線で拡散経路を表示する．この方法の利点は，平衡第２法則として定式化されている．ただし，濃度差より

状態図上で複雑に描かれる拡散経路（部分的に濃度勾配も前述の化学ポテンシャルの差を駆動力とするほうが実が逆転するような場合）であっても矛盾なく表示できる

際の現象を都合良く説明できることを付記しておく．

16)

ことにある

．これは後述の拡散現象における「駆動我々は，拡散係数を知ることで接合挙動（界面からの力」が濃度差ではなく化学ポテンシャル差で与えられる

距離と時刻に応じて変化する濃度）をこれらの関係式をことと対応している．

用いて算定することができる．一般的に，拡散過程に律17, 18)

ところで，状態図は各元素間の親和力を反映している
ので，状態図は接合性の善し悪しを推し量る道具として速される場合には反応量（拡散量）は接合時間の平方根に比例して変化する放物線則に従うとされている．
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界面反応を伴う拡散の場合，それぞれの反応相内でのり込んで行く現象が接合性を支配する．すなわち，良く拡散係数が異なるために接合過程は複雑になる．全体と濡れるロウ材（あるいは添加元素）を選定することが肝しての接合組織形成過程は各要素領域（反応相）におけ要である．濡れ性に影響する因子としては，合金元素とる拡散過程の総合的な結果として考えることができる

組成，温度，表面粗さ，固液界面エネルギーや界面エネ

が，例えば，非常に拡散係数が小さくなるような相の出

ルギーに影響する界面反応などがある25, 26)．濡れ性は固液

現は全体の組織変化を事実上停止させるなど，界面組織

界面の電子論的立場からの考察とそれに基づく界面設計

形成過程は複雑になる．これに関連して，拡散バリアとが提案されることが望まれるが，現時点で我々の理解はいう考え方がある ．特定の元素についてその拡散係数がそこまで到達していなくて，熱力学的な取り扱いによる小さくなるような相を積極的に用いて界面反応を制御す

界面設計が主流である．

22)

るというもので，脆弱な反応相の生成抑制策として期待される．ところで，金属表面にある酸化被膜も拡散バリ

熱ひずみ

アの一つであり，これを除去（酸化被膜の破砕など）し最後に，接合過程の最終段階で発生する「熱ひずみ」て新生面同士を接触させることが固相接合の基本過程でについて簡単に触れておく．熱エネルギーを利用する接ある．
本節の締めくくりとして，状態図研究の副産物の話題

合の場合，避けて通れないのがこの現象である．表２にを提供しよう．状態図は熱力学的な裏付けを持ってお示したように，セラミックスは金属材料よりも線膨張係

り，計算技術を駆使して様々な情報を取り出すことがで数が二桁ほど小さい．したがって，接合温度から室温ま

きる段階まで進歩してきている ．しかしながら，未知相で冷却する過程で熱膨張係数の差に起因した「ひずみ」についてはその熱力学情報がないので計算できない．こが接合界面ならびにその近傍に発生する27)．これが接合部こに落とし穴がある．我々は接合しようとする素材の構の構成要素である界面や反応生成相のいずれかの強度を成元素からなる状態図を完備しているわけではないの

上回ると，接合終了時にはすでに破壊が生じてしまってで，接合中に予期せぬ相の出現を経験することがある．

いることになる．全てが破壊しなくても一部にクラック

それが脆性相であれば継手にとっては致命的で，接合後が入るなどして，接合継手の強度を著しく劣化させる．

の使用環境でこれが起きると大変なことになる．未知相セラミックスの「硬いけれど脆弱」という性質がここでの発見（phase hunting とも呼ばれる）は状態図研究の負の影響を及ぼすのである．そのため，どの程度の残留

魅力でもあり，今でも精力的に進められている．

ひずみ・応力が潜んでいるのかを知る技術が必要になっ

23)

てくる．
複合材料の場合，強化部材の配向によって力学特性の濡れ現象

異方性が現れるので28)，ひずみの分布はより複雑になる．
次に，固液界面特有の現象である「濡れ」について考

他方，ひずみの分布を意図的に制御する組織設計が複合

えてみよう24)．よく「蓮の葉の上の水玉」に例えられるよ

材料では可能なので，ひずみを緩和・吸収する層や傾斜

うに，液体の持つ表面自由エネルギー（あるいは表面張機能組織にするなどの人工的な界面設計も接合研究の課力）の作用により，液体は表面積を最小にする形状の球

題となる．

形になろうとする．固体表面においては，固液界面エネ

強くて信頼できる接合体を作ること，これが溶接工学

ルギーがあるために形状は球形から様々に変化し，固の使命である．セラミックスや複合材料といった特異機

体，液体，気体の三者が会合する点における力の平衡が能素材を活かしきる接合を実現するには，科学的根拠に液体の形状を支配する．表面張力の相対的な大小関係で基づいた溶接プロセスでなければならない．そのために

図９に示したように「濡れる」状態から「濡れない：撥

は，界面構造とそれに関する材料科学と材料力学の各要水」状態が現れるが，その度合いの指標として図中に示素現象の包括的な解明が必要不可欠である．

した「接触角」が用いられる．接触角が小さいほど濡れ性が良くロウ付性が向上する．ロウ接の場合，濡れ現象

おわりにと二つの接合部材の間隙に液体金属が毛管現象により入「木に竹を接ぐ」という言葉がある．水と油のように
本来そぐわない者同士を無理矢理合わせようとする無茶な行為のことであるが，金属とセラミックスの接合ある
いは複合材料の創製は結合様式の観点から言えばまさに木に竹を接ぐ操作に当たる．しかしながら，我々は実際にこの無理な組み合わせの接合を実現している．その恩恵は現実の工業製品や技術レポートに現れている通りである．これは接合科学の勝利と言えるものであって，その背景には精緻な学理に裏打ちされた技術の蓄積がある．
しかしながら，異材接合の全てが明らかになっている
図9 接触角の説明図(a) 濡れない場合、(b)濡れる場合
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わけではなく，また工学として解決すべき課題も多く残されている．特に電子論の立場から界面物理現象を記述

柴柳：セラミックスの接合

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していく研究領域は今後の発展が期待されており，接合プロセスの最適化はもとより，異材界面に特異的に現れる新機能の予測へとつながってほしいと願っている．メ
ゾスコピックな視点では熱力学，状態図，濡れ，残留ひずみなどの要素現象が統一的に議論されて実際のもの作りに反映されることが本領域の発展に不可欠である．

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