고급 세라믹 계열 중 가장 오래된 소재 중 하나인 Al₂O₃ 세라믹(알루미나 세라믹)은 다른 세라믹 소재와는 비교할 수 없는 다양한 뛰어난 특성을 가지고 있습니다. 저렴한 가격, 높은 강도와 경도, 뛰어난 내열성, 내마모성, 내부식성 등이 그 예입니다. 알루미나 세라믹은 국방, 항공우주, 그리고 바이오 의학 분야에서 널리 사용되고 있습니다.
그러나 많은 단상 세라믹과 마찬가지로, Al₂O₃의 결정 구조 내 원자 배열은 금속처럼 소성 변형을 일으키지 않습니다. 결과적으로, 파단 시 표면 에너지를 증가시키기 위해 새로운 균열 표면을 생성하는 것 외에는 다른 에너지 소산이 거의 없습니다. 이는 알루미나 세라믹의 중요한 약점인 취성으로 이어집니다.
알루미나 세라믹의 취성(brittleness)은 근본적으로 변화시키기 어렵지만, 이를 개선할 수 있는 방법이 있습니다. 수년간의 개발 끝에, 세라믹 매트릭스에 강화제를 도입하는 등 인성을 향상시키는 여러 가지 방법이 개발되었습니다.
1 입자 강화
입자 강화는 세라믹의 인성을 향상시키는 가장 간단한 방법 중 하나입니다. Al₂O₃의 경우
세라믹에서 강화 입자는 일반적으로 인성 있는 금속 입자이거나 높은 탄성 계수를 가진 비금속 입자입니다.
강화 단계로서, 금속 입자는 주로 입자 풀림 및 소성 변형과 같은 메커니즘을 통해 인성을 향상시키며, 이는 Al₂O₃ 매트릭스의 균열 변형을 유발합니다. 또한, 금속 입자는 소결 중 Al₂O₃ 입자 성장을 억제하여 소결 특성을 향상시킬 수 있습니다. 일반적인 금속 입자로는 Al, Ni, Ti, Cu, Fe가 있습니다.
그러나 금속 입자는 일반적으로 Al₂O₃보다 탄성 계수가 낮기 때문에, 생성된 복합재는 경도와 강도가 감소하는 경향이 있습니다. 반면, SiC, Si₃N₄, TiC와 같이 탄성 계수가 높은 비금속 입자는 입자 풀아웃, 균열 고정, 균열 변형, 균열 브리징과 같은 메커니즘을 통해 인성을 향상시킬 수 있습니다.
2 변형 강화
순수 ZrO₂(지르코니아)는 1000°C 부근에서 정방정계(t)에서 단사정계(m)로 고체 상변태를 겪습니다. 이 마르텐사이트 상변태는 약 3%–5%의 부피 팽창을 유발합니다.
균열이 t-ZrO₂ 영역에 도달하면 균열 끝의 응력장이 변형 영역을 유도합니다.
이 구역 내에서 t-ZrO₂는 m-ZrO₂로 변환되어 표면 생성과 부피 팽창 에너지를 흡수합니다. 이러한 상변화는 균열 선단에 압축 응력을 발생시켜 균열의 추가 확산을 차단합니다.
이는 균열 선단의 응력 확대 계수를 감소시켜 재료의 균열 성장 저항성을 효과적으로 향상시킵니다. 다시 말해, 변형은 외부 에너지를 소산시켜 파괴인성을 향상시킵니다.
이러한 메커니즘을 Al₂O₃ 매트릭스의 미세균열 및 잔류응력 강화와 결합하여 ZTA 세라믹을 형성합니다. ZTA 세라믹(지르코니아 강화 알루미나)은 순수 Al₂O₃ 세라믹에 비해 인성이 크게 향상됩니다.
3 섬유 및 수염 강화
섬유 또는 휘스커를 세라믹 매트릭스에 제어된 방식으로 도입할 수 있습니다. 이러한 섬유는 두 가지 기능을 합니다.
섬유 또는 휘스커의 높은 강도를 활용하여 외부 하중을 분산하는 데 도움을 줍니다. 세라믹 매트릭스와 약하게 결합된 계면을 형성하여 외부 에너지를 흡수하고 취성을 완화하는 시스템을 형성합니다.
탄소 나노튜브와 그래핀은 발견 이후 재료 과학 분야의 최첨단 연구 주제로 자리 잡았습니다. 최근 연구에서는 이러한 나노소재를 알루미나 세라믹에 접목하여 세라믹 매트릭스의 강도 향상에 크게 기여한다는 사실을 발견했습니다.
4 하이브리드 강화
알루미나 세라믹 강화에 대한 연구가 진행됨에 따라, 다양한 개별 방법의 장점을 결합하고 단점을 보완하기 위해 다중 메커니즘 강화 접근 방식인 하이브리드 강화가 개발되었습니다.
이 시너지 전략은 두 가지 이상의 강화 메커니즘을 동시에 사용하여 전반적인 인성을 더욱 향상시키는 것을 포함합니다. 이는 연구자들의 폭넓은 관심을 받았습니다. 일반적인 하이브리드 강화 조합은 다음과 같습니다.
• 입자/수염 강화
• 입자/변형 강화
• 변형/수염 강화
• 그래핀(또는 탄소나노튜브)/입자(또는 변형, 수염)
예를 들어, Al₂O₃ 세라믹에서 ZrO₂ 변형 강화와 휘스커 강화를 결합하면 강화 효과가 크게 향상되는 것으로 나타났습니다.
5 나노기술 강화
1987년, 독일 연구원 카르흐(Karch)와 동료들은 나노세라믹이 높은 인성과 저온 초소성을 동시에 가진다는 것을 최초로 보고했습니다. 그들의 연구 결과는 나노세라믹의 탁월한 잠재력을 보여주었고, 세라믹의 오랜 취성 문제를 극복할 새로운 길을 제시했습니다.
1990년, 저명한 과학자 존 칸은 "나노세라믹은 세라믹의 취성에 대한 전략적 해결책이다"라고 말했습니다.
나노세라믹은 미세한 결정립과 현저히 증가된 결정립계를 특징으로 합니다. 더욱이, 기공과 결함 크기가 임계치 이하로 감소하면 더 이상 재료의 거시적 강도를 저해하지 않습니다. 결과적으로 강도와 인성 모두 크게 향상될 수 있습니다.
반면, 나노 스케일의 분산상을 세라믹 매트릭스에 통합하면 강도와 인성이 향상될 뿐만 아니라 고온 저항성, 경도, 탄성 계수, 고온 크리프 저항성도 개선됩니다.
따라서 나노구조화와 나노복합 접근 방식은 알루미나 세라믹의 파괴인성을 개선하는 데 가장 중요하고 유망한 전략 중 하나가 되었습니다.
6 자체 강화
자기강화 Al₂O₃ 세라믹은 첨가제 또는 종자결정을 첨가하여 등축 Al₂O₃ 입자가 판상, 막대상 또는 긴 기둥상으로 이방성 성장을 유도함으로써 개발됩니다. 이와 관련된 강화 메커니즘은 위스커 강화와 유사하며, 균열 브리징, 균열 변형, 입자 풀아웃 등이 포함되며, 균열 브리징이 지배적인 메커니즘입니다.
이 접근 방식은 광범위하게 연구되었으며, 재료 자체의 미세 구조적 진화를 활용하여 알루미나 세라믹의 인성을 향상시키는 데 큰 가능성을 보여줍니다.
에픽 파우더 머시너리
에픽 파우더 머시너리 정밀한 입자 제어를 통해 알루미나, 지르코니아와 같은 고순도 세라믹 분말을 생산하는 장비를 제공합니다.
당사의 기술은 강화 세라믹의 품질을 안정적으로 보장하여 반도체, 항공우주, 생물의학 등의 산업이 더 나은 성과를 달성하는 데 도움을 줍니다.
