HOME 教育状況公表 令和3年9月21日

06. 3000℃が作る航空部材―窯業―

山形大学  理工学研究科(工学系)  化学・バイオ工学科  伊藤智博

Youzan

材料の変遷(出典: 野村正勝・鈴鹿輝男 最新工業化学 ―持続的社会に向けて― 講談社サイエンティフィク

ぼくらがまだホモサピエンスと呼ばれる前から人類は火を使ってきた。 夜に明かりをとったり虫やほかの獣をよけたり。 食べ物に火を入れることで、食あたりもしにくくなった。

ぼくらが石器をつかうようになって、いろいろ工夫しているうちに火を入れることで焼きしまることを見つけ出した。 ついで土を使うことで自由自在にかたちを保存できる土器もつくれるようになった。

薪を燃やしたときの炎はたかだか700度。 うまく空気を吹き込むことで炎の勢いを増して丈夫で美しく機能的な土器を作れるようになってきた。 もっともすばらしい発明は、そこに食材と水と灰をいっしょにいれて煮込むことだった。 土器(ポット)と灰(アッシュ)を使った料理は、ぼくらがホモサピエンスと呼ばれて数千年を経た今でも ポタージュという名残りとなっている。

土器、陶器、磁器とより硬く美しい器を作るために必要なことは よい土を探すことと、よい薪を探すこと、そしてそれらを高温で焼き上げるよい窯を作ることだった。 より高温にするためには熱エネルギーできるだけ外に逃げないように窯に閉じ込めると同時に 燃料である薪に空気を効率よく送ることが必要だった。 燃焼速度を最大限に上げて窯の中に閉じ込めることで、 ぼくらは1200度にもなる温度を手にしたのだった。 このぐらいの温度で焼き占めた磁器は弾くとチンチンと金属的な響きがして、 割った端面は貝のように滑らかだった。 釉薬をぬって焼き上げた磁器の表面はきらきらと輝き 美しい色彩であるときは繊細な模様がまたあるときは豪奢な絵柄が描かれた。


41 材料
金属材料非金属材料複合材料
鉄鋼材料非鉄金属材料 セラミックス
ガラス
高分子
炭素鋼
合金鋼
鋳鉄
鋳鋼
金・銀 ・
アルミニウム
マグネシウム
ニッケル
チタン
亜鉛
石材
セラミックス
木材・皮・繊維
プラスチック
繊維強化プラスチック
繊維強化金属
鉄筋コンクリート
金属強化セラミックス
無機工業化学
  1 セラミックスの種類
分類 原材料 製品
セラミックス クラシックセラミクックス 土器 粘土 瓦・レンガ
陶器 陶石 食器
磁器 陶石 実験器具
ニューセラミクックス アルミナ
ファインセラミクックス 生体関連
エネルギー関連 シリコンカーバイド
情報通信関連 チタニア
ガラス ソーダガラス ケイ酸塩 板ガラス・ガラス瓶・ガラス繊維
カリガラス ケイ酸塩 実験用器具
鉛ガラス ケイ酸塩 装飾品
ホウケイ酸ガラス ケイ酸塩 電球
セメント ポルトランドセメント 粘土・石灰石 土木・建築
06.無機工業化学
75 セラミックスの種類
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 化学結合の種類
結合の種類 結晶 性質や特色 物質の例
イオン結合 イオン結晶 固体は 導電率が小さい(絶縁体)。水溶液や溶融塩は 導電率が大きい。 (キャリア:イオン)。 塩化ナトリウム、塩化銀、水酸化ナトリウム
共有結合 分子結晶 分子式 で表す。融点沸点は低い。 酸素、アンモニア、水※1、ドライアイス
共有結合の結晶 黒鉛や導電性高分子は、例外的に電気を通す。 ダイヤモンド、 黒鉛、 ケイ素水晶 、石英※2
金属結合 金属の結晶 導電率 が大きい(キャリア:自由電子)。 銅、亜鉛、アルミニウム、 リチウム

※1.水分子は共有結合に分類されるが、液体の水はわずかに電離して電気を流す。 このイオン結合的な性質を、極性分子と表現する。

※2.ケイ酸塩のケイ酸はイオン結合に分類されるが、共有結合としての性質が強く、焼成などで成型することができる。

ケイ素と酸素の結合は、共有結合とイオン結合の中間。それがガラスをはじめとした多彩なセラミックス材料を生み出します。

陶芸の歴史 勝手に陶芸を科学する http://igloss.web.fc2.com/cray/firing.htm
ノリタケの森 (磁器

明治の建築を支えたレンガ

レンガから鉄筋コンクリート、その行方

土器・陶磁器 セメント

鉄筋コンクリート

スチールとコンクリートでできた明石海峡大橋
セメント協会 石灰岩
  2 粘土鉱物の分類
化学式 製品名 製造方法 用途
カオリナイト (1:1層) カオリナイト 1:1層で、層間に水がないため、焼結可能。陶磁器などに使う()。
スメクタイト (2:1層) モンモリロナイト
Nax(Al2-xMgx)Si4O10(OH)2·4H2O(X<0.33)
クニピア-F 精製 ベントナイトの主成分。 1:2層で、高温でも固まらない。鋳鉄の鋳型などに使う。
Li+モンモリロナイト
Lix(Al2-xMgx)Si4O10(OH)2·4H2O(X<0.33)
クニピア-M 精製
サポナイト
NaxMg3(Si4-xAlx)O10(OH)2(X<0.33)
スメクトン-SA 水熱合成
スチーブンサイト Na0.3Mg3-xSi4O10(OH)2 スメクトン-ST 水熱合成
ヘクトライト Na0.3(Mg,Li)3-xSi4O10(OH)2 スメクトン 水熱合成

カオリナイト(高陵石) スメクタイト モンモリロン石(モンモリロナイト) 絹雲母(セリサイト) イライト 海緑石(グローコナイト) 緑泥石(クロライト) 滑石(タルク) 沸石(ゼオライト)

平常演習 Web Class

鉄筋コンクリートの老朽化について化学的に考察し、将来にわたる社会インフラの維持をどのようにすべきか議論しなさい。


陶芸

食器 、衛生陶器 碍子 磁器、陶器
308
送電に使われる 鉄塔(鉄鋼)電線(銅、アルミ)碍子(陶磁器)
© K.Tachibana

平常演習 Web Class

高温加熱技術の原理と方式


ガラス と容器

ガラスや陶器は 不燃性ごみです。

ガラスはケイ素と酸素の 共有結合からなるが、結晶構造が不規則であり、明確な融点を持たない。 温度を上げると徐々に柔らかくなる性質がある。 この性質を利用してガラス細工をはじめいろいろな形状が作られる。


まほうびん
ガラスびんの生産工程(出典: 日本ガラスびん協会

缶詰と瓶詰め

缶詰と瓶詰めを較べてみよう。 いずれもナポレオンの時代に戦争の食糧確保のために開発された。

主な缶は スチール缶と アルミ缶だ。 金属結合からなる金属は塑性変形できる。

ニューボトル缶の生産工程(出典: 大和製罐

ガラス製造の歴史 官営品川硝子製造所跡(近代硝子工業発祥の碑)  大阪・ガラス発祥之地  陶芸の森 ケイ砂 プラズマボール 真空管 白熱電球 魔法びん記念館 資源物(缶・びん)の出し方

ガラス細工


ペットボトルの一升瓶が普及しないのはなぜか?

銅線とガラスファイバー

ガラスは情報も運ぶ。銅線だった電話線が、ガラスファイバーとなった。

回線(Line)の種類
種類規格など伝送路通信速度特徴 業者など
光回線 FTTH 光ケーブル 高速固定 NTT東日本・NTT西日本(サービス名:フレッツ光) KDDI(サービス名:auひかり) NCV など
モバイル 3G(2024年に廃止)
4G/LTE(地方未対応)
5G(首都圏のみ)
電磁波 低速移動または固定 FOMA(NTTdocomo)(3G)、 Xi(クロッシィ)(NTTdocomo)(4G/LTE)、 UQコミュニケーションズ(サービス名:WiMAX)など
電話回線 ADSL(2024年に廃止)
ISDN(2024年に廃止)
電線(メタリックケーブル)低速固定 NTT東日本・NTT西日本(サービス名:フレッツADSL)、 NTT東日本・NTT西日本(サービス名:INSネット)
02.情報処理概論 06.無機工業化学 04.技術者倫理
情報処理概論

具体的なセラミック材料とその比較となる金属材料をひとつづつ選び、その性質の違いを示す物理量の数値データを示した上で、その性質の違いがどのような工業製品に応用されているか述べなさい。

タッチパネルでの ガラス とプラスチック-誘電率-

蛍光材料

圧電体としてのセラミックスは、ライター、 圧電スピーカーなどに使われます。

  3 出力装置
端末 出力装置 情報
スマートディスプレイ
・スマホ・PC
ディスプレイ 映像
スマートディスプレイ
・スマホ・PC
スピーカー 音声
PC プリンター 印刷
01.情報処理概論

碍子 圧電素子、 積層コンデンサ

炭素材料

炭素材料は古代から使われてきた。 その主な製法は有機物の蒸し焼きだ。 黒鉛化するには 3000度 が必要だ。 そのような高温はもはや化学エネルギーで作り出すことはできず、電気エネルギーを使った電気炉で作る。 カーボンナノチューブなどはアーク放電のようなプラズマ状態を利用し、そのアークの 温度10000度に達する。

未来を作るプラズママップ (出典:文部科学省HP)

バイオハードカーボン

ハードカーボン、ソフトカーボン、ダイヤモンド、DLC、活性炭、人造グラファイト(黒鉛)、炭素繊維、カーボンナノチューブ(CNT) 籾殻燻炭

参考文献

このページは初学者が気楽に読めるように脚色されています。 実在の人物や団体、史実、用語の厳密な定義などに必ずしも忠実とは限りませんのでご了承ください。


無機工業化学
  1. 明治43年、旧米沢高等工業学校の設立―産業革命と化学工業の歴史―
  2. 1000気圧が生み出す肥料と食料―酸・アルカリ工業と水資源―
  3. 3ボルトが生み出す洗剤と水素―電気化学工業―
  4. 1500℃が作る東京スカイツリー―鉄鋼―
  5. 1000℃、4Vが作る新幹線―非鉄金属―
  6. 3000℃が作る航空部材―窯業―
  7. ひとり毎日1キログラムの廃棄物―資源と環境とサプライチェーン―
  8. 太陽がくれた1キロワット毎平米―エネルギープラント―
  9. トイレットペーパーがなくなったら?-パルプ、紙、繊維―
  10. 自動車がなくなったら―目指せカーボンニュートラル―
  11. マンガ本がなくなったら―印刷技術と半導体―
  12. スマホがなくなったら―インターネットと光と音―
  13. 電池がなくなったら―生活に役立つ工業製品を作ろう―
  14. 食べ物がなくなったら―環境、持続可能な社会に向けて―
  15. ヒトはなぜモノを作らねばならないのか?-ひとりひとりの幸せを大切にするために-


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