재료가 극한의 온도, 고압, 부식성 환경을 견디면서 견고한 내구성을 유지할 수 있게 해주는 것은 무엇일까요? 대답은 지르코니아 세라믹에 있을 수 있습니다. "세라믹의 강철"로 불리는 이 첨단 소재는 뛰어난 특성을 통해 항공우주에서 생물의학 응용 분야에 이르기까지 산업에 혁명을 일으키고 있습니다.
일반적으로 지르코니아로 알려진 이산화지르코늄(ZrO2)은 공업용 세라믹 범주 내에서 무기 비금속 재료의 중요한 등급을 나타냅니다. 실온에서는 세 가지 뚜렷한 결정 구조를 지닌 흰색 고체로 나타납니다.
순수 지르코니아는 고온에서 이러한 결정 구조 사이의 상 전이 중에 상당한 부피 변화(3-5% 수축)를 겪어 재료 균열을 일으킵니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 산업 응용 분야에서는 일반적으로 이트리아(Y2O₃), 마그네시아(MgO) 또는 칼시아(CaO)와 같은 첨가제를 사용하여 실온에서 바람직한 결정 구조를 유지하는 안정화 기술을 사용합니다.
지르코니아 세라믹의 채택이 증가하는 것은 물리적, 화학적 특성의 독특한 조합에서 비롯됩니다.
연구자들은 지르코니아의 상 변환 한계를 극복하고 성능을 향상시키기 위해 여러 가지 접근법을 개발했습니다.
지르코니아를 다른 세라믹(예: 알루미나)과 결합하면 강도, 인성 및 내마모성이 향상된 복합 재료가 생성됩니다.
다음 표는 다양한 안정화 지르코니아 세라믹의 주요 특성을 비교합니다.
| 재산 | 지르칼론 5(YSZ) | 지르칼론 10(YSZ) | 지르칼론 20(MSZ) | 지르칼론 30(복합) |
|---|---|---|---|---|
| 밀도(g/cc) | 6.13 | 6.05 | 6.05 | >5.62 |
| 굴곡강도(MPa) | 1000 | 1200 | 1200 | 1000 |
| 파괴인성(MPa·m½) | 4.0 | 5.0 | 10.0 | 10.0 |
| 열충격 저항(ΔT°C) | 250 | 250 | 350 | 250 |
| 최대 서비스 온도(°C) | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 |
지르코니아 세라믹은 여러 부문에서 중요한 기능을 수행합니다.
다음 표에는 다양한 화학 물질에 대한 지르코니아의 성능이 자세히 나와 있습니다.
| 화학적인 | 집중 | 온도 | 노출 | 반응 |
|---|---|---|---|---|
| 염산 | 33% | 비등 | 100시간 | 약한 |
| 황산 | 98% | 비등 | 100시간 | 약한 |
| 수산화나트륨 | 50% | 비등 | 100시간 | 없음 |
| 불산 | 100% | 비등 | 100시간 | 강한 |
재료 과학이 발전함에 따라 지르코니아 세라믹은 향상된 제조 기술과 새로운 복합재 제형을 통해 계속해서 발전하고 있습니다. 기계적 견고성, 열 안정성 및 생체 적합성의 고유한 조합으로 인해 고성능 엔지니어링 응용 분야에서 점점 더 많이 채택되고 있습니다. 지속적인 연구는 점점 더 까다로워지는 운영 환경을 해결하기 위해 위상 안정성, 파손 저항성 및 다기능 기능을 향상시키는 데 중점을 두고 있습니다.
