세라믹 소재의 취성을 다루는 방법?

우리 모두 알다시피 세라믹 소재에는 취성이라는 치명적인 공통 결함이 있습니다. 세라믹 소재의 취성은 화학 결합과 미세 구조에 의해 결정되며 세라믹 소재의 고유한 특성입니다. 다음 단락에서는 세라믹 소재의 취성과 이를 개선하는 방법에 대해 설명합니다.

세라믹은 왜 부서지기 쉬운가요?

세라믹 소재는 이온 또는 공유 결합으로 구성된 다결정 구조이므로 소재를 변형시킬 수 있는 슬립 시스템이 없습니다. 준비 과정에서 재료 표면에 미세한 결함이 남는 것은 불가피하며, 이는 균열의 원인이 될 수 있습니다. 재료에 외부 하중이 가해지면 이러한 균열의 끝 부분에 응력이 집중됩니다. 세라믹 소재의 경우 외부 에너지를 소비할 수 있는 다른 시스템이 없다면 새로운 자유 에너지만 교환할 수 있습니다. 소위 새로운 자유 에너지는 균열 팁의 전파에 의해 형성된 새로운 표면에 흡수되는 에너지로, 균열의 빠른 전파 및 소위 취성 골절을 초래합니다.

세라믹의 취성을 개선하는 방법은 무엇인가요?

세라믹 소재의 취성은 소재 특성의 신뢰성과 일관성에 큰 영향을 미칩니다. 따라서 세라믹 소재의 취성을 연구하고 효과적인 개선 방법을 제안하는 것이 많은 세라믹 연구자들의 핵심 과제입니다. 다음은 간단한 데이터 수집 방법입니다.

1. 세라믹 소재의 약한 인터페이스 시스템 구축

세라믹 소재에는 외부 에너지를 흡수할 수 있는 메커니즘이 없기 때문에 세라믹 소재에 인위적으로 약한 계면 구조를 만들어 균열의 전파가 전체 소재를 손상시키지 않고 해리를 통해 외부 에너지를 흡수할 수 있도록 할 수 있을까요? 수년간의 연구 끝에 실현 가능한 솔루션이 많이 있습니다.

* D 강화 세라믹 매트릭스 복합재

세라믹 매트릭스에 섬유(또는 수염)가 특정 방식으로 추가됩니다. 한편으로는 고강도 섬유(수염)가 추가 하중을 공유할 수 있고, 다른 한편으로는 섬유(또는 수염)와 세라믹 매트릭스 사이의 약한 계면을 사용하여 외부 에너지의 흡수 시스템을 만들어 세라믹 재료의 취성을 개선할 수 있습니다.

예를 들어 세라믹 매트릭스 복합재는 엔진 터빈 하우징 라이닝에 도입된 Leap, CMC 구성 요소에 적용될 수 있습니다. 개선된 엔진은 니켈 기반 초합금보다 냉각 공기가 훨씬 적게 필요하고 비중이 낮아 이전 엔진에서 사용되는 연료의 약 15%를 절약할 수 있습니다.

* 복합 세라믹 소재

두 종류의 서로 다른 재료를 함께 사용하면 열팽창 계수와 탄성 계수가 다르기 때문에 두 재료 사이에 응력이 발생해야 하며, 입자 계면의 응력은 계면이 약한 주요 원인입니다. 많은 연구에 따르면 한 물질의 나노 크기 입자가 다른 물질의 미크론 크기 입자에 존재하는 경우 나노-미크론 결정 내 재결합으로 알려진 강도와 인성이 놀랍도록 향상되는 것으로 나타났습니다.

예를 들어, 알루미나 매트릭스에 나노 실리콘 카바이드 (5%)와 쿼드 산화 지르코늄(15%)을 추가하면 1200MPa의 강도를 얻을 수 있다는 연구 결과가 있습니다(일반 알루미나 세라믹 소재의 강도는 약 300Ma에 불과합니다).

* 자기 강화 세라믹 소재

위에서 언급했듯이 세라믹 매트릭스에 섬유 또는 수염을 추가하여 강화 및 강화합니다. 그러나 종횡비가 큰 입상 세라믹 매트릭스로는 섬유나 수염을 균일하게 분포시키기 어렵고, 이로 인해 복합 재료의 특성이 분산됩니다. 따라서 사람들은 세라믹 매트릭스에 특정 종횡비를 가진 형상을 형성 할 수 있다면 섬유 또는 수염으로 세라믹을 강화하는 것과 동일한 효과를 얻을 수 있다고 가정합니다.

따라서 세라믹 본체의 일부는 특수 가공을 통해 자체적으로 특정 종횡비를 생성할 수 있습니다. 예를 들어, 알루미나 세라믹의 소결 공정에서 소량의 액상은 알루미나 입자의 이방성 성장을 유도 할 수 있으며, 알루미나 매트릭스에 종횡비가 큰 막대 모양의 결정을 많이 형성하여 알루미나 세라믹 재료의 강도와 인성을 크게 향상시킬 수 있습니다.

* 적층 복합 재료

적층 복합 재료의 아이디어는 자연의 소라 미세 구조, 즉 서로 다른 구성 요소의 두 재료를 샌드위치에 쌓아 평행 한 인터페이스를 가진 다층 적층 복합 재료를 형성하는 것입니다. 샘플 디자인의 재료 구조에는 응력 방향에 수직인 약한 인터페이스가 많이 있습니다. 이러한 약한 인터페이스는 주요 균열 전파 경로의 왜곡의 주요 원인이며 재료의 인성 향상에 중요한 요소이기도합니다. 동시에 층의 양쪽 재료가 다르기 때문에 탄성 계수와 열팽창 계수의 차이로 인해 잔류 응력이 발생해야하며, 일정 한도 내의이 잔류 응력이 보강 및 강화의 주된 이유입니다.

2. 지르코니아 강화 세라믹 소재

세라믹 스틸에 대한 아이디어가 제시된 이후 지르코니아 강화 세라믹 소재에 대한 연구가 활발히 진행되었습니다. 지르코니아 화합물은 고온에서는 입방정, 중온에서는 정사면체, 상온에서는 단사면체의 세 가지 결정 유형을 가지고 있습니다. 그러나 중온 타입의 사면체 지르코니아는 외부 응력의 억제 하에 상온에서 안정적으로 유지될 수 있습니다. 재료가 외력을 받으면 억제된 중안정성 4상 지르코니아는 상전이 과정을 거치게 됩니다. 상전이 과정에서 특정 에너지가 흡수되며, 이는 의심할 여지없이 외부 에너지 소비에 중요한 역할을 합니다. 동시에 상변환 과정에서 3% ~ 5%의 부피 변화가 발생합니다. 결과적으로 균열 팁 주변에 작은 균열이 발생하여 재료의 인성이 증가한다는 징후가 나타납니다.

따라서 지르코니아의 상 전이는 재료의 강도와 인성 증가를 촉진합니다. 지르코니아의 이러한 특성은 세라믹 재료의 강화 및 강화에 매우 효과적인 첨가제로서 일련의 지르코니아 강화 세라믹을 형성합니다. 테트라고날 지르코니아 다결정(TZP)은 가장 중요한 지르코니아 강화 세라믹 재료 중 하나로, 상온에서 최고의 기계적 특성을 가진 것으로 간주됩니다.

3. 기능성 등급 소재

세라믹 코팅 공정에서 더 두꺼운 코팅을 얻기 위해 또는 금속 매트릭스와 세라믹 코팅 사이의 열적 및 기계적 특성의 큰 차이로 인해 우수한 성능과 높은 결합 강도를 가진 세라믹 코팅을 얻기 위해 코팅 조성의 구배 변화가 종종 필요합니다.

4. 나노 세라믹 소재

미세 구조의 관점에서 볼 때 입자 크기와 재료 특성 사이에는 직접적인 관계가 있습니다. 세라믹 소재의 입자 크기가 나노 수준에 도달하면 세라믹 소재의 성능이 분명히 우수해집니다. 예를 들어, 부분적으로 안정화된 지르코니아 세라믹은 대기 소결을 통해 3%(mol) 이트륨 산화물과 지르코니아의 고용체 분말로 만들어지며, 여기서 가돌리늄 산화물은 지르코니아에 평균 직경 0.3μm의 미세 결정으로 분산됩니다. 1200℃ 이상으로 가열하면 지르코니아 세라믹은 12%의 일정한 연신율로 늘어날 수 있습니다.