第2章 工業材料の構造
目 的 各種工業材料(engineering material)の基本的な構造を理解する．

2.1 原子の性質と電子軌道
2.1.1 原子と電子軌道
2.1.2 周期表
2.1.3 原子の結合
2.1.4 物質の分類
2.2 結合の種類
2.2.1 イオン結合
2.2.2 共有結合
2.2.3 金属結合
2.3 金 属2.3.1 単位格子(1) 体心立方格子 (2) 面心立方格子 (3) 最密六方格子

2.3.2 微視的構造(1) 固溶体 (2) 析出物 (3) 第2相 (4) 結晶粒
2.4 セラミックス
2.4.1 イオン結合型セラミックス
2.4.2 共有結合型セラミックス
2.4.3 ガラス
2.4.4 微細構造
2.5 ポリマー
2.5.1 熱可塑性樹脂(線状ポリマー)
2.5.2 熱硬化性樹脂
2.5.3 エラストマー(ゴム)2.6 複合材料
2.6.1 複合材料の優位性
2.6.2 強化形態と構成材料
2.6.3 長繊維強化の問題点と積層
2.7 密度の比較

12.1 原子の性質と電子軌道
2.1.1 原子(atom)と電子軌道原子の成り立ち
・原 子 原子核(nucleus)＋電子(electron)
・原子核 陽子(proton)＋中性子(neutron)
・陽子数＝電子数→原子番号(atomic number)
殻(shell)と軌道(orbital)
・内側から，K殻(1s軌道)，L殻(2s，2p軌道)，M殻(3s，3p，3d軌道)，N殻(4s，4p，4d，4f 軌道)…の順．
・各軌道に入ることができる電子数には限りがある．
図2.1 孤立原子のL殻の電子軌道

表2.1 孤立原子の電子配置(H～Kr)

電子の充足・各軌道にはエネルギー準位(energy level)があり，準位が低い軌道から電子が充足される．
・具体的にはK殻(最内殻) 1s，L殻2s・2p，M殻3s・3p，N殻4s，M殻3d，N殻4p...の順．
・最外殻が閉殻すると安定化する（不活性ガス）．

2

2.1.2 周期表(periodic table)
表2.2に示す外殻電子数に基づいて元素を整理する→周期表
表2.2 孤立原子の外殻電子(価電子，valence electron)配置族
Ⅰa電子配置 s1
電 子 数 1Ⅰb Ⅱa Ⅱb Ⅲa Ⅲb(d10)s1 s2 (d10)s2 d1s21223Ⅳas2p13Ⅳbd2s2s2p244族
Ⅴa電子配置 d3s2d4s1
電 子 数 5Ⅴb Ⅵa Ⅵb Ⅶas2p3 d4s2 s2p4 d5s2d5s1d6s15667ⅦbⅧ0s2p5 d6s2～d8s2 s2p6d7s1～d9s1
78～10 0族の特性(周期表の横軸)
Ⅰa,Ⅱa 外殻電子を離脱させて閉殻し，陽イオン(cation)になる傾向大．
Ⅰb,Ⅱb 外殻電子を離脱させて準安定化，陽イオンとなる傾向．
Ⅵb,Ⅶb 外殻に電子を充足して閉殻，陰イオン(anion)になる傾向大．
0
すでに閉殻しており不活性．

表2.3 周期表32.1.3 原子の結合(bond)
不活性ガス以外では電子軌道は未充足↓
原子1個では不安定(原子集まって安定化)↓
異なる電子軌道(結合軌道)
C原子の例

図2.2 C原子の混成軌道(hybrid orbital)
図2.2 C原子の混成軌道(hybrid orbital)

孤立原子の電子軌道↓混成軌道↓
原子2個の混成軌道が結合して全エネルギー<H>低下
結合軌道(bonding orbital)↓
多数の原子の存在によりエネルギー準位が帯状
エネルギーバンド状態(energy band)

図2.4 孤立原子の電子軌道，混成軌道，結合軌道，
バンド状態

伝導帯(conduction band )，空帯(empty bnand)
励起状態では電子が存在可能なエネルギーバンド
禁止帯(foribidden band)，バンドギャップ(band gap)電子が存在し得ないエネルギー状態
価電子帯(valence band)，充満帯(filled band)
電子が存在するエネルギーバンド

42.1.4 物質の分類
絶縁体(insulator)
・共有結合，イオン結合
・価電子帯と伝導帯に大きなギャップ(ギャップを超えて伝導帯へ電子が励起されない)半導体(semiconductor)
・バンドに極少数の電子，あるいはほとんど充足
金属(metal)
・金属結合・バンドの10～90%を電子が充足(電子は容易に励起されて移動が可能)

図2.5 絶縁体，半導体，金属の分類

2.2 結合の種類
2.2.1 イオン結合(ionic bond)

図2.6 イオン結合(2次元モデル)

物質 例えば，NaCl
特徴 強結合・方向性→ひずみ難い，高融点，ぜい性破壊，低伝導性52.2.2 共有結合(covalent bond)

図2.7 共有結合(2次元モデル)

物質 例えば，C(ダイアモンド)，Si，H2O，高分子
特徴 強結合・方向性→ひずみ難い，高融点，ぜい性破壊，低伝導性

2.2.3 金属結合(metallic bond)

図2.8 金属結合(2次元モデル)

物質 Al，Ti，Fe，Cu，その他の金属特徴 弱結合・弱方向性→変形容易,高充填,電気・熱の良伝導性

62.3 金 属
金属の特徴
・多数の原子が金属結合により安定化して結晶化
・金属結合は方向性が弱いため，充填構造をとりやい→基本的に重い結 晶(crystal)
・規則的に配列した原子の集合体
・単位格子(unit cell)で表記
配位数1原子の周囲にある最近接原子数
充填率
単位体積あたりの原子の体積占有率
格子定数(lattice constant)
格子の単位となる長さ(例えば，図2.9のa)2.3.1 単位格子(1) 体心立方格子 (body centered cubic lattice, BCC)

図2.9 体心立方格子

体心立方格子の金属配位数
単位格子中の原子数
原子間距離充填率

Cr，a-Fe，Mo，b -Ti，Vなど
82 個(=1/8×8+1)
3a / 2  4  3a  31  2 3 
約68 %  =3  4 a 7

(2) 面心立方格子 (face centered cubic lattice, FCC)

図2.10 面心立方格子

面心立方格子の金属配位数
単位格子中の原子数
原子間距離充填率

Al，Cu，g -Fe，Niなど
124 個(=1/8×8+1/2×6)
32a / 2 4  2 a 1 =4
約74 % 3 3  4 a(3) 六方最密格子 (hexagonal close-packed lattice, HCP)

図2.11 六方最密格子

六方最密格子の金属
配位数
単位格子中の原子数
最近接原子間距離a-Ti，Znなど
126個 (=1/2×2+1/6×12+3)
a 2 / 3 + c 2 / 4 (c / a  1.633)(c / a  1.633)
 4  2a  3
1

約74 %  =
62
 3  4 (33a/2)

1.
633
a

a

充填率(c/a=1.633)

8

2.3.2 微視的構造(1) 固溶体

図2.12 固溶体の種別

異種元素の添加による合金化(固溶体の形成)↓
強度向上(固溶強化)，機能性向上，相制御（例） オーステナイト系ステンレス(18Cr-8Ni)
純鉄

A3変態点未満→a 相(bcc)
A4変態点未満→g 相(fcc)
A4変態点以上融点以下→d 相(bcc)

Crの添加 表面に安定なCr酸化物が形成↓
耐食性の向上Niの添加 オーステナイト域の拡大↓
高温まで相変化せず組織安定↓
高温強度の向上

図2.13 Feに対するNi添加の効果(模式的な平衡状態図)

9

(2) 析出物(precipitate)
溶体化(solution treatment)・時効(aging)↓微細析出物↓
強度向上(析出強化)（例）Al-Ag系合金の析出物

図2.14 析出物(Al 16-Ag合金，左)とモデル図(右)(3) 第2相・全率固溶型以外では，合金では複数の相から構成される．
・強度は第2相の割合に影響を受ける．
（例）Ag-Cu系合金

図2.15 Ag-Cu系合金の平衡状態図

図2.16 2相組織(150倍)：(上) 16% Cu-Ag，(下)28.5% Cu-Ag10

(4) 結晶粒
単結晶(single crystal)
全部分で同一の結晶方位(crystal orientation)
多結晶体(polycrystalline material)
・多数の結晶粒(crystal grain)から構成される固体，
・各結晶粒の方位は異なる結晶粒界(grain boundary)
・結晶粒間の境界にある不整合な領域
・力学的性質や熱処理(変態,析出,拡散など)に関係

図2.17 多結晶体の微視組織(純鉄，200倍，左)と結晶粒界の泡モデル(右)（例）結晶の制御
多結晶→柱状結晶，単結晶↓
高温での結晶粒界の影響を低減(耐クリープ性向上)

図2.18 タービンブレード

112.4 セラミックス(ceramics)
2.4.1 イオン結合型セラミックス
単位格子
同符号のイオンは近接しないように以下の方法で配列される．

NaCl，MgO(図2.20(a)(b))
Cl－あるいはO2－イオンの面心立方格子の正8面体空隙(図2.19)をNa+あるいはMg2+イオンで充填した構造図2.19 面心立方格子の空隙位置

ZrO2(一般的なエンジニアリングセラミックス，図2.20(c))
Zr4+イオンの面心立方格子の正4面体空隙をO2－イオンで充填した構造
Al2O3(アルミナ，図2.20(d))
O2－イオンの六方最密格子の正4面体空隙の2/3にAl3+イオンが充填された構造

図2.20 単純なイオン結合型セラミックスの単位格子(a)NaCl，(b)MgO，(c)ZrO2，(d)Al2O3

12

2.4.2 共有結合型セラミックス

ダイヤモンド(図2.21(a))
各原子は4つの最近接原子と共有結合SiC(図2.21(b))
ダイヤモンド構造のC原子の半分をSiに置き換えた構造
SiO4(シリカ，図2.21(c))
ダイヤモンド構造の各原子をSiO4で置き換えた構造
図2.21 単純な共有結合型セラミックスの単位格子(a)ダイヤモンド，(b)SiC，(c)SiO4

セラミックスには立体構
造だけでなく鎖状，板状のものもある（例）粘土
板状セラミクス間の水による潤滑↓
成形容易↓
高温で焼くことで水をとばして立体構造

図2.22 鎖状・板状のセラミックス

13

2.4.3 ガラス
図(a) 結晶性編目構造→SiO4の結晶構造
図(b) 石英ガラス→SiO4の非晶質(アモルファス)構造
・高温まで安定，低線膨張係数，高粘性で加工困難
図(c) 市販ガラス→Na2Oなどの添加により編目構造を切断・粘性が低下し，比較的低温でも加工が容易

図2.23 けい酸ガラス (a) セラミックス，(b)SiO4，(c)ソーダガラス

2.4.4 微細構造
セラミックスの成形・高融点・機械加工が困難→微細粉末の焼結・具体的には，ホットプレスあるいは熱間静水圧成形(HIP，hot isostaticpressing)など

図2.24 セラミックスの成型法 (a)ホットプレス，(b)熱間静水圧成形

14

焼結のメカニズム
・微細粉末→表面積大(表面エネルギー大)
表面積を減ずる↓表面エネルギー減少↓
焼 結

図2.25 焼結のメカニズム

成形後には球状の空孔が不可避的に残る↓強度に著しい影響
図2.26 微細粉末の焼結

2.5 ポリマー(polymer)
2.5.1 熱可塑性(thermoplasticity)樹脂(線状ポリマー)
モノマー(monomer)↓重合(polymerization)↓ポリマー(polymer)
図2.27 熱可塑性樹脂

表2.4 熱可塑性樹脂の代表例

ポリエチレン(PE)
ポリプロピレン(PP)
ポリスチレン(PS)
ポリ塩化ビニル(PVC)

ラジカルR

用 途

H
CH3C6H5Cl

ゴミ袋，絶縁材など(上に同じ)
発泡スチロール
水道管，レコード15

主鎖同士が架橋しない↓
加熱(2次結合が融解)↓軟化

図2.28 ポリエチレン

結晶性ポリマー通常の線状ポリマー
毛糸玉のように絡み合っている
高密度ポリエチレン
2次結合により結晶化

図2.29 ポリマーの折畳み結晶

2.5.2 熱硬化性(thermosetting)樹脂

図2.30 熱硬化性樹脂の例(OとOHに注目)

加 熱↓
繊維間の架橋↓硬 化
図2.31 加熱時の架橋と架橋後のエポキシ樹脂

162.5.3 エラストマー(ゴム)
熱硬化性樹脂との相違
少数の架橋↓
比較的変形しやすいが架橋しているため形状は元に戻る

図2.32 エラストマー

表2.5 エラストマーの代表例

ラジカルR

ポリブタジエン
ポリイソプロピレン
ポリ塩化ビニル(PVC)

H
CH3Cl

用 途

自動車タイヤ天然ゴム
シール
図2.33 硫黄原子による架橋

2.6 複合材料(composite material)
2.6.1 複合材料の優位性
異種材料の組合せ→互いの長所を生かして材料設計可能
強化繊維(高剛性，強度，軽量)＋樹脂(高延性，繊維保護，軽量)↓
高剛性・高比強度(強度/密度)

図2.34 複合材料の優位性

172.6.2 強化形態と構成材料
強化材の形態

図2.35 複合材料の強化形態

ポリマー基(fiber reinforced plastics，FRP)
・母材(matrix) エポキシ樹脂，不飽和ポリエステル樹脂
・強化材
ガラス繊維(GFRP)，炭素繊維(CFRP)
ケブラー繊維(KFRP)，ゴム粒子
金属基(metal matrix composite，MMC)
・母材
Al合金，チタン合金
・強化材
SiCウイスカーなど

2.6.3 長繊維強化の問題点と積層
長所 強化材の性能が発揮されやすい
短所 強い異方性と低座屈強度→対策：積層構造

図2.37 複合材料の積層 (a)CFRP，(b)Al合金－ケブラーエポキシ

図2.36 異方性と座屈

18

2.7 密度の比較
セラミックス
充填構造に近いが軽元素を含む
金 属
比較的重い元素の充填構造
ポリマー
軽元素から成る，充填構造は取らない
複合材料
母材が軽量

図2.38 工業材料の密度の比較

表2.7 種々の材料の密度
材料名

密度（Mg/m3 ）

材料名

密度（Mg/m3）

オスミウム
白金
タングステンとその合金
金
ウラン
炭化タングステン(WC)タンタルとその合金
モリプデンとその合金
コバルト炭化タングステン
サーメット
鉛とその合金銀
ニオプとその合金
ニッケル
ニッケル合金コバルトとその合金
銅
銅合金
黄銅と青銅
鉄
鉄基超合金
オーステナイト系ステンレス鋼
スズとその合金
低合金鋼
軟鋼
フェライト系ステンレス鋼
鋳鉄
亜鉛とその合金
クロム
炭化ジルコニウム(ZrC)
ジルコニウムとその合金
チタン
炭化チタン(TiC)
チタン合金
アルミナ(Al203)
アルカリハライド(KClなど)
マグネシア(MgO)

22.7
21.4
13.4-19.6
19.3
18.9
14.0-17.0
16.6-16.9
10.0-13.7

炭化ケイ素(SiC)
窒化ケイ素(Si3N4)
ムライト
ベリリア(BeO)
通常の岩石
カルサイト(大理石,石灰石)
アルミニウムアルミニウム合金
シリカガラス(SiO2)
ソーダガラスコンクリート，セメントGFRP
炭素繊維PTFE(ふっ素樹脂)
ポロン繊維強化エポキシ
ベリリウムとその合金
マグネシウムとその合金
黒鉛(高強度)
ガラス繊維強化ポリエステルPVC
CFRPポリエステル
ポリイミド
エポキシ
ポリウレタン
ポリカーボネート
PMMA
ナイロン
ポリスチレン
ポリエチレン(高密度)氷
天然ゴム
ポリエチレン(低密度)ポリプロピレン木材
発泡プラスチック
発泡ポリウレタン

2.5-3.2
3.2
3.2
3.0
2.2-3.0
2.7
2.7
2.6-2.9
2.6
2.5
2.4-2.5
1.4-2.2
2.2
2.3
2.0
1.85-1.9
1.74-1.88
1.8
1.55-1.95
1.3-1.6
1.5-1.6
1.1-1.5
1.4
1.1-1.4
1.1-1.3
1.2-1.3
1.2
1.1-1.2
1.0-1.1
0.94-0.97
0.92
0.83-0.91
0.91
0.88-0.91
0.4-0.8
0.01-0.6
0.06-0.2

11.0-12.5
10.0-11.3
10.5
7.9-10.5
8.9
7.8-9.2
8.1-9.1
8.9
7.5-9.0
7.2-8.9
7.9
7.9-8.3
7.5-8.1
7.3-8.0
7.8-7.85
7.8-7.85
7.5-7.7
6.9-7.8
5.2-7.2
7.2
6.6
6.6
4.5
7.2
4.3-5.1
3.9
3.1-3.6
3.5

19