機械材料の基礎：チタン酸バリウム

チタン酸バリウムは、バリウム、チタン、そして酸素から構成される、化学式BaTiO₃で表される人工のセラミックス材料です。その最大の特徴は、強誘電性と呼ばれる特異な性質を持ち、それによってもたらされる極めて高い誘電率にあります。この性質により、チタン酸バリウムは、現代の電子機器に不可欠な積層セラミックコンデンサ（MLCC）の最重要材料として、エレクトロニクス産業を根底から支えています。

それは、電気を蓄えたり、電気エネルギーと機械エネルギーを相互に変換したりする、高度な機能を持つ「電子セラミックス」の代表格です。

強誘電性の原理：結晶構造の自発的な歪み

チタン酸バリウムの驚異的な特性はすべて、そのペロブスカイト型と呼ばれる、特徴的な結晶構造に由来します。

ペロブスカイト構造と相転移

チタン酸バリウムの結晶の単位格子は、立方体の各頂点にバリウムイオン、各面の中心に酸素イオン、そして立方体の中心にチタンイオンが配置された、非常に規則正しい構造をしています。

しかし、この完璧な立方体構造は、キュリー温度と呼ばれる約130度以上の高温でしか安定に存在しません。温度がキュリー温度以下に下がると、結晶構造に相転移が起こり、立方体だった格子が、c軸方向にわずかに伸びた正方晶へと、自発的に歪みます。

この構造変化の際に、極めて重要な現象が起こります。それは、結晶格子の中心にいた、比較的小さなチタンイオンが、本来いるべき幾何学的な中心位置から、わずかにずれることです。

自発分極と強誘電性

プラスの電荷を持つチタンイオンが、マイナスの電荷を持つ周囲の酸素イオンの中心からずれることで、個々の単位格子の中に、プラスとマイナスの電荷の偏り、すなわち電気双極子が生まれます。これが、何もない状態でも材料が電気的に分極している自発分極と呼ばれる状態です。

そして、これらの無数の微小な電気双極子が、材料の内部で同じ方向を向いて整列します。さらに、外部から電界をかけることで、この分極の向きを反転させたり、別の方向へ切り替えたりすることができます。このように、自発分極を持ち、かつその分極の向きを外部電界によって制御できる性質を、強誘電性と呼びます。チタン酸バリウムは、この強誘電性を示す最も代表的な材料なのです。

強誘電性がもたらす特異な物性

この強誘電性という性質が、チタン酸バリウムに多くのユニークな機能をもたらします。

1. 極めて高い誘電率

誘電率とは、物質がどれだけ電気を蓄えることができるかを示す指標です。チタン酸バリウムに外部から電界をかけると、前述のチタンイオンの「ずれ」が、電界に沿ってさらに大きく移動します。この原子レベルでの大きな電荷の移動が、極めて多くの電気エネルギーを材料内部に蓄えることを可能にします。

この結果、チタン酸バリウムは、他の絶縁体に比べて桁違いに高い誘電率を示します。この性質を最大限に利用したのが、積層セラミックコンデンサです。高い誘電率を持つ材料を使えば、コンデンサを劇的に小型化できます。スマートフォンやパソコンの中に、米粒よりも小さな部品として、何百個、何千個と搭載されている超小型のコンデンサは、このチタン酸バリウムの存在なくしては実現不可能なのです。📱💻

2. 圧電性

チタン酸バリウムの結晶は、チタンイオンが中心からずれているため、プラス電荷とマイナス電荷の中心が一致しない、非対称な構造をしています。このような結晶に、外部から機械的な圧力（応力）を加えると、結晶が歪み、内部の電荷のバランスが崩れて、表面に電圧が発生します。

逆に、この結晶に外部から電圧をかけると、イオンがその電界に応答して動くことで、結晶全体がわずかに変形します。このように、機械的な力と電気的なエネルギーを相互に変換できる性質を圧電性と呼びます。この性質を利用して、ライターの着火装置やスピーカー、各種のセンサーやアクチュエータが作られています。

3. PTCサーミスタ特性

チタン酸バリウムに微量の添加物を加えると、もう一つの興味深い性質が現れます。それは、キュリー温度までは低い電気抵抗を示すのに、キュリー温度に達した途端、電気抵抗が急激に数桁も増大するという現象です。この性質を持つ素子をPTCサーミスタと呼びます。

この性質を利用すると、自己温度制御型のヒーターを作ることができます。電流を流して自己発熱し、キュリー温度に達すると、自分自身で抵抗を増大させて電流を制限し、それ以上温度が上がるのを防ぐのです。

製造と焼結

チタン酸バリウムは、炭酸バリウムと酸化チタンの粉末を混合し、高温で反応させる固相反応法によって合成されます。こうして得られたチタン酸バリウムの粉末を、金型で所望の形状にプレス成形し、摂氏1300度以上の高温で焼き固める焼結というプロセスを経て、緻密なセラミックス部品となります。この際、焼結の温度や時間を精密に制御し、結晶の粒径を最適化することが、高い誘電率を得るために極めて重要です。