セラミックのメリットと言えば、やはり見た目がキレイなことや機能性が高いことなどが挙げられます。
またセラミックは、レジンなど保険診療の素材と比べて、口内で起こる磨耗にも強いという特徴を持っています。
今回は、なぜセラミックが摩耗に強いのかについて解説します。
セラミックが摩耗に強い理由4選
セラミックが摩耗に強い理由としては、主に以下のことが挙げられます。
・原子同士の結合が強固だから
・物質そのものの硬度が高いから
・化学的に安定しているから
・高温環境でも硬度や強度がほとんど低下しないから
各項目について詳しく説明します。
原子同士の結合が強固だから
セラミックの最大の強みは、物質を構成する原子同士の結びつきが非常に強い点にあります。
金属材料の多くは、金属結合という比較的原子が自由に動きやすい結合様式を持っています。
そのため、外部から強い力や摩擦が加わると、原子の並びがズレて変形したり、削れたりしやすくなります。
一方、セラミックは共有結合やイオン結合という極めて強固な結合で成り立っています。
共有結合は原子同士が電子を共有してがっちりと手を結び合う結合であり、イオン結合はプラスとマイナスの電気的な力で強烈に引き合う結合です。
これらの結合を断ち切るには、金属の結合を外すよりも遥かに膨大なエネルギーが必要となります。
摩擦は表面の微細な突起同士がぶつかり合い、その結合が破壊されて破片となる現象です。
セラミックは原子レベルでの結合が金属より圧倒的に強いため、摩擦の力が加わっても表面の原子が引き剥がされにくく、結果として摩耗の進行を強力に抑えることができます。
物質そのものの硬度が高いから
摩耗に対する強さは、材料の硬さと直結しています。
硬い材料とやわらかい材料を擦り合わせると、必ずやわらかい側が削り取られます。
セラミックは、ダイヤモンドに次ぐレベルの圧倒的な硬度を誇る材料が数多く存在します。
材料の硬さを表す指標の一つにビッカース硬度(HV)があります。
一般的な構造用鋼(鉄鋼材料)の硬度は高くてHV200〜800程度、熱処理を施した工具鋼でもHV800前後の硬さです。
これに対して、代表的なセラミックであるアルミナ(酸化アルミニウム)はHV1500〜1800、窒化珪素(シリコンナイトライド)はHV1400〜1700もあります。
さらに硬い炭化珪素(シリコンカーバイド)では、HV2000〜2500に達します。
これだけ硬度に圧倒的な差があるため、砂塵、金属粉、あるいは硬い成形品などが高速で衝突・擦過する環境であっても、セラミックの表面には傷さえつきにくくなります。
相手の物質がどれだけ激しく擦り切ろうとしても、セラミックの硬い表面がそれを跳ね返すため、長期間にわたって初期の形状を維持します。
科学的に安定しているから
摩擦によって起こる摩耗には、単に削れるだけでなく、物質同士がミクロなレベルで溶着して引き剥がされる凝着摩耗という現象があります。
金属同士を激しく擦り合わせると、摩擦熱と圧力によって接触面が瞬間的に溶けてくっつき、それが動くことで表面がむしり取られて激しく摩耗します。
しかしセラミックはすでに酸素や窒素、炭素などと完全に反応を終えた酸化物や窒化物などの化合物です。
化学的にこれ以上変化しにくい極めて安定した状態にあるため、他の物質と化学反応を起こしたり、分子レベルで親和性を持ってくっついたりすることがほとんどありません。
つまり金属やプラスチックと激しく擦れ合っても、相手の材料と溶着を起こさないということです。
またすべり性が高く、相手材を滑らかに受け流すため、摩擦係数そのものが低く抑えられます。
この化学的安定性のおかげで、過酷な摩擦環境下でも凝着現象による表面のむしれやピッ微小な凹みが発生せず、優れた耐摩耗性を発揮し続けることができます。
高温環境でも硬度や強度がほとんど低下しないから
物体同士が高速で擦れ合う摩擦面では、局所的に数百〜数千度レベルの強烈な摩擦熱が発生します。
金属材料の場合、このような高温に晒されると、材料が軟化したり、空気中の酸素と反応して表面が急速に酸化したりして、耐摩耗性が著しく低下します。
これに対し、セラミックは熱に対して非常に強い耐性を持っています。
もともと融点が2000℃を超えるような超高融点材料が多く、1000℃を超えるような高温域に達しても、硬度や機械的強度をほとんど低下させることなく維持できます。
またすでに酸化している材料が多いため、高温の空気中に晒されてもこれ以上酸化して劣化することがありません。
そのため、金属では一瞬で焼き付いて摩耗してしまうような極限状態でも、セラミックは何事もなかったかのように優れた耐摩耗性を発揮し続けることができます。
まとめ
セラミックは上記の理由により磨耗に強いため、銀歯やレジンなどの素材よりも寿命が長いです。
寿命が長いということは、単純に修正や入れ替えの手間が省けるだけでなく、患者さんの身体の負担や経済面の負担も軽減されるというメリットにつながります。
そのため、初期費用はかかりますが、セラミック治療は極めて良い選択肢だと言えます。
