극한의 온도를 견딜 수 있으면서도 마모와 파손에 강하고 열악한 환경에서도 뛰어난 성능을 유지할 수 있는 소재를 상상해 보세요. 이것은 지르코니아 세라믹의 놀라운 특성을 요약합니다. 고급 세라믹 소재인 이산화지르코늄(ZrO2)은 고유한 물리적, 화학적 특성으로 인해 항공우주, 의료 기기, 자동차 산업 등에서 점점 더 중요해지고 있습니다.
단결정 지르코니아는 우수한 광학적 투명성과 탁월한 열충격 저항성을 나타내지만 상대적으로 낮은 파괴 인성과 강도로 인해 적용이 제한됩니다. 그러나 지르코니아 세라믹은 특히 실온에서 뛰어난 내구성과 내파괴성으로 유명합니다. 미세한(마이크론 이하) 입자 크기로 탁월한 표면 마감과 날카로운 모서리 유지력을 제공합니다.
지르코니아 세라믹은 고온에서 내식성을 유지하지만 구조적 변화로 인해 사용 온도가 약 500°C로 제한될 수 있습니다. 또한 온도가 상승함에 따라 전기 전도도가 점차 증가합니다.
지르코니아의 특성, 특히 인성을 향상시키기 위해 일반적으로 산화마그네슘(MgO), 산화칼슘(CaO) 또는 이트리아(Y2O₃)와 같은 안정제를 첨가합니다. 이러한 안정제는 "변형 강화" 과정을 촉진합니다. 초기 소결 후 안정화된 지르코니아는 냉각 중에 준안정 상태를 유지하는 부분 입방체 결정 구조를 형성합니다. 균열이 전파되면 정방정계 결정은 응력에 의해 유도된 상 변형을 겪게 되어 상당한 에너지를 흡수하는 부피 팽창을 일으키고 재료 인성을 실질적으로 향상시킵니다.
그러나 고온은 지르코니아 세라믹에 심각한 재결정을 일으켜 강도를 감소시키고 3~7% 치수 팽창을 일으킬 수 있습니다. 안정제 함량을 조절함으로써 정방정계 결정의 비율을 조정하여 강도 손실과 인성의 균형을 맞출 수 있습니다.
일반적으로 약 10%의 산화마그네슘을 함유하고 크림색으로 나타나는 PSZ는 높은 온도에서도 지속되는 높은 경도를 제공합니다. 완전히 안정화된 지르코니아에 비해 PSZ는 입자 크기가 더 크고 비용이 저렴합니다. 이 제품의 특징은 응력 하에서 변형되어 에너지를 흡수하여 인성을 향상시키는 정방정계 부분의 비율입니다. 그러나 PSZ는 상대적으로 강도가 낮고 고온에서 입자 성장이 일어나 성능이 저하되는 경향이 있습니다.
가장 작은 입자 크기의 이트리아 약 3%를 함유한 TZP는 거의 100% 정방정계 결정 구조를 갖추고 있어 가장 높은 상온 인성을 제공합니다. 그러나 200~500°C 사이에서는 비가역적인 결정 변화로 인해 치수 변화가 발생하여 인성이 크게 감소합니다. TZP의 미세한 입자와 높은 정방정상 함량은 탁월한 강도와 인성을 제공하는 반면, 이 소재는 온도에 민감하고 고온에서 정방정계에서 단사정계 상 변형이 발생하기 쉽습니다.
고성능 엔지니어링 소재인 지르코니아 세라믹은 산업 전반에 걸쳐 엄청난 잠재력을 제공합니다. 재료의 특성, 변형 및 적용을 이해하면 최적의 재료 선택 및 활용이 가능해집니다. 지속적인 기술 발전으로 지르코니아 세라믹은 고급 엔지니어링 솔루션에서 점점 더 중요한 역할을 할 준비가 되어 있습니다.
