고밀도 탄소재 응용제품
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함은 무기물질을 주원료로 사용하는 산화물(Oxide), 질화물(Nitride), 탄화물(carbide)등의 재료를 뜻한다. 이러한 재료는 일반적으로 금속재료, 유기재료, 광학적 기능, 생체적 기능, 열성, 내마모성 등이 매우 크며 다양한 기능 (전자적 기능, 기계적기능, 광학적 기능, 생체적 기능 등)을 갖는 현대공업재료 중 가장 중요한 위치를 차지한다.
Computer의 기억소자 및 전자공학의 필수품인 반도체, 강유전체, 강지성체는 물론 원자력공업으로 재료, 핵 특성재료, 방사선 차폐재료, 항공우주공학의 특수 무기 제품, 특히 제 3의 산업혁명을 가져올 초전도재료 등 세라믹의 용도는 매우 넓다.
금속과 Ceramics의 비교
| Ceramics 특성 | |
| 금속에 비해 강 성률 (stiffness)이크다 | 보다 정밀한 가공이 가능 (아주 얇은 제품) 동일한 힘을 가했을 때 금속에 비해 변형이 적기 때문에 보다 정확한 크기로 미세하고 평탄하게 끝마무리를 할 수 있다 |
| 화학적으로 안정한 특성을 가짐 | 금속에서와 같이 가공 도중에 타버리는 현상 같은 것이 없는 반면, 온도가 올라감에 따라 연화되어 가공이 용이해지는 경우를 기대 할 수 없다.(가공이 어렵다) |
| Ceramics는 매우 넓은 범위의 열전도 값을 갖고 있다 | 금속의 경우 열전도도가 낮은 금속을 가공할 때 가공하는 부분의 온도가 올라가 가공이 곤란해지는 경우가 있다 |
| 낮은 파괴인성 | 가공할때 균열이 발생하여 전파하는 것을 억제하는 것이 한편으로는 Ceramics 을 가공하는데 중요한 역할을 한다 |
| 효율적 가공 | 가소변형을 적절히 이용하면서 투입되는 에너지와 힘을 최소로 해야 한다. Ceramics는 각 입자에 부하 되는 힘도 조절하고 적절한 가공주기와 거친 연마/미세연마/가공연마의 특성 등을 고려하여 모든 것을 복합적으로 적절하게 선택하면서 가공하여야 한다. |
파인 세라믹
전통 세라믹과 파인 세라믹스
| 전통 세라믹스 | 파인 세라믹스 | |
| 제품명 | 도자기, 타일, 벽돌, 유리 등 | 자성체, 압전체, 초내열체, 내마모재, 광섬유,Laser 유리 인공 뼈 등 |
| 역사 | 수천 년 | 30여년 |
| 원료 | 토 석 분 체 산화물 | 합성원료, 질화물, 탄화물, 염화물 |
| 공정 | 성형, 소성, 용융처리 | 열간고압성형,분위기 소성, 분위기 용융, 졸-겔 법, 진공증착, 2차 열처리 |
| 가공 | 예술성, 허술한 규격 | 과학적,정밀가공, 엄격한 규격 |
| 용도 | 형상이용, 생활 주변품 | 물성적 기능이용, 공업용 |
| 품질관리 | 매크로(Macro)적 단계 | 마이크로(Micro)적 단계 |
전통 세라믹스
인류가 생존하는 한 전통 세라믹으로 분류되는 내화물, 시멘트, 유리 , 도자기 등의 재료는 영원할 것이다. 물론 많은 재료들에 의해 수 많은 도전이 있겠지만,
세라믹만이 갖는 고유한 고온 특성, 내부식성, 내산화성, 고강도, 그리고 예술적 특성으로 인한 시장성과 상품성은 그 어느 재료와도 비교 할 수 없는 우위성을 나타낸다.
파인 세라믹스
아래 도표에서도 볼 수 있듯이 기계 문명 시대에서 정보 문명 시대가 되면서 전자세라믹스를 중심으로 많은 성장이 있었고, 또한 계속 성장할 것으로 예상되고 있다.
그 외 구조, 광, 생체 세라믹스 등도 세라믹스의 고유한 특성인 고강도, 광전도성 및 생체 친화성 등으로 인해 연간 20% 안팎의 성장이 이루어지리라 판단된다.
현재 IMF 등의 사태로 인한 경제의 위축으로 새로운 재료에 대한 연구 개발등에 투자가 줄어들고 있지만, 정보화, 전자화, 전자화, 환경 친화의 시대에 있어서 중요한 재료임에는 부임할 수 없다.
파인세라믹스 재료에 대한 연구는 국내의 기초 소재 산업의 근간이 되므로 반드시 연구되고, 투자되어야 하는 분야이다.
Fine Ceramics의 분류
| 산화물 | 비산화물 |
|---|---|
| 금속 원소가 산소와 결합하여 물질구성 실리카, 알루미나, 산화청, 지르코니아 (Al₂O₃,ZrO₂,TiO, MgO) |
질화물 (금속 + 질소) 탄화물 (금속 + 탄소) 붕화물 (금속 + 붕소) |
[산화물계]
| Al₂O₃ | Zirconia |
|---|---|
| Fine Ceramics의 대표적인 제품으로써 다이아몬드 (Moor 경도 10)의 다음 높은 경도(9)로써 내마모성이 매우 우수하다. 내열성, 내약품성도 큰 특징중의 하나이고, 전기절연성이 높아 가판용, 애자로 일찍부터 이용 되어 왔다. |
지르코니아는 기계적 강도, 파괴인성 우수, 열팽창율이 금속과 근접하여 금속과의 접착이 용이하다. |
| 특징 | |
| - 내마모성(치밀성, 경도가 높음)이 우수 - 내열성(1000℃ 에서 사용가능)이 우수 - 내약품성이 좋음 - 기계적 강도가 뛰어남 - 고온절연저항(고전압에 대한 절연내력우수) - 원료의 안정적 가격 |
- 내약품성이 우수 - 내식성이 우수 - 비중이 높음 - 내마모성이 높음 - 저열전도율 (각종 축수재, 분체 용품) |
[비산화물계]
비산화물계 물질은 높은 융점과 화학적 안정성 때문에 난소결성 물질로 취급되어 오다가 Fe, Co, Ni 등과 같은 저융점의 금속결합제를 이용한 액상 소결 공법 등으로 점차 치밀한 미세조직을 가진 소결체 제조가 가능하게 되었다.
대표적인 것으로
- 탄화물 :B₄C, SiC, TiC, ZrC, Mo₂C, WC
- 질화물 : BN, ALN, Si₃N₄, TaN
- 붕화물 : AlB₂, TiB₂, ZrB₂
- 규화물 : MoSi₂, WSi₂,MSi₂
1. 제조 방법에 따른 세라믹 재료 분류
내화분류
일반적으로 고온에 견디는 물질. 일반적으로 1000℃이상 고온에서 연화 화지 않고 그 강도를 유지하며, 화학적 반응등에도 견딜 수 있는 재료로서 KS에 위한 내화도 측정법에서SK26(1580℃)이상의 내화도를 가진 것을 말한다. 대표적인 내화물은 내화벽돌로서 철강 관계의 노재나 요업의 축로재료 등에 사용된다. 내화별돌 외에 금속 용해용 도가니, 기타 제품 등이 있으며 최근 급속히 발전한 cremate, 원자력 관계용 재료 등이 있다.
소결재료
분말체를 원하는 형상으로 성형한 후 가열하면 서로 단단히 결합하여 치밀화 하는 현상을 이용하여 만든 재료. 고체의 분말을 틀 속에 넣고 프레스로 적당히 눌러 단단하게 만든 다음 그 물질의 녹는점에 가까운 온도로 가열했을 때, 분말이 서로 접한 부분에서 접합이 이루어지거나 일부가 증착하여 서로 연결되어 한 덩어리가 된다. 대부분의 세라믹 재료는 이와 같은 소결 공정을 거쳐 제조되며, 대표적인 예로서는 도자기와 파인 세라믹 재료의 대표인 알루미나, 지르코니아, 탄화규소, 질하규소 소결재료 등이 있다.
수경재료
물과 반응하여 경화하는 재료로서 대표적으로 시멘트가 있다. 시멘트는 C3S, S2S, S3A,C4AF등의 광물로 이루어져 있으며, 건축 토목분야에 매우 중요한 재료이다.
응용재료
세라믹스에 있어서 용융재료의 대표적인 예로서 유리가 있다. 유리는 무기질의 용융체를 냉각할 때 결정화하지 않고 단단한 상태로 과냉각 될 수 있는 물질이다. 그 역사는 2000년이 넘으나, 최근 들어 광통신 분야의 발달과 함께 급격한 발전을 이루었다.
단결정
결정 전체가 일정한 결정축을 따라 규칙적으로 생성된 세라믹 재료. 다른 세라믹 재료들이 다결정체인데 비하여 하나의 결정으로만 이루어졌기 때문에 물질의 고유한 특성을 약화시키는 결함이 존재하지 않으므로 가장 이상적인 재료이다.
박막재료
기계 가공으로는 실현이 불가능한 두께 수㎛ 이하의 얇은 막을 여러 가지 방법으로 기판 위에 형성시켜 목적하는 물성을 나타내게 한 재료로서 반도체, 화합물 반도체, 절연체, 자성체, 초전도체 등의 박막이 있다.
2.물성 및 응용에 따른 세라믹 재료 분류
기계재료
각종 기계의 부품을 제작하기 위해 쓰이는 재료로, 높은 기계적 응력(Stress)이나 하중(Load)에 견딜 수 있는 강도(Strength)와 인성(Toughness)이 요구된다.
- 건축재료 : 세라믹 재료는 쉽게 변하지 않는 안정한 재료이므로 각종 건축재료나 구조물 재료로 사용되어 왔다.
고전적으로 사용되어 온 시멘트, 유리와 같은 재료
- 고경도 재료 : 인조 다이아몬드 입자, 다이아몬드 코팅, 등과 같이 세라믹 재료의 높은 강도 및 경0도(Hardness)를 이용한
연마재료나 고경도 Coating.
- 고강도 재료 : 세라믹으로 된 엔진 등과 같이 기계의 부품으로 응용하기 위하여 연구된 Si₃N₄, SiC, YSZ 등의 재료
- 건축재료 : 세라믹 재료는 쉽게 변하지 않는 안정한 재료이므로 각종 건축재료나 구조물 재료로 사용되어 왔다.
고전적으로 사용되어 온 시멘트, 유리와 같은 재료
- 고경도 재료 : 인조 다이아몬드 입자, 다이아몬드 코팅, 등과 같이 세라믹 재료의 높은 강도 및 경0도(Hardness)를 이용한
연마재료나 고경도 Coating.
- 고강도 재료 : 세라믹으로 된 엔진 등과 같이 기계의 부품으로 응용하기 위하여 연구된 Si₃N₄, SiC, YSZ 등의 재료
전자재료
- 반도체 재료 : Si, GaAs,InP,ZnS,ZnSe, 등과 같은 반도체적 특성을 가진 재료
- 유전체 재료 : 세라믹 재료가 가지는 매우 높은 전기저항을 이용한 절연체, 강유전체와 같이 매우 높은 유전율을 가져
Capacitor 등으로 쓰일 수 있는 재료.
- 전도체 재료 : 전기 전도도가 외부 환경에 매우 민감한 변화를 보임으로써 가스 센서에 응용 될 수 있는 재료나 높은 전기
전도도를 가져 연료 전지 등에 응용되는 고체 전해질 재료, 그리고 전기저항이 전혀 없는 초전도체와 같은 재료.
- 자성체 재료 : 자성을 가짐으로써 자석, 자성 기록매체, 등에 쓰이는 재료
- 유전체 재료 : 세라믹 재료가 가지는 매우 높은 전기저항을 이용한 절연체, 강유전체와 같이 매우 높은 유전율을 가져
Capacitor 등으로 쓰일 수 있는 재료.
- 전도체 재료 : 전기 전도도가 외부 환경에 매우 민감한 변화를 보임으로써 가스 센서에 응용 될 수 있는 재료나 높은 전기
전도도를 가져 연료 전지 등에 응용되는 고체 전해질 재료, 그리고 전기저항이 전혀 없는 초전도체와 같은 재료.
- 자성체 재료 : 자성을 가짐으로써 자석, 자성 기록매체, 등에 쓰이는 재료
고온구조 재료
앞서 설명한 내화재료를 일컫는다.
광학재료
- 수동형 재료 : 특정한 빛을 흡수하거나 반사하는 성지를 이용하는 재료 , 광 필터, 거울, 창, lens등에 응용되는 유리, 결정
등이 이에 해당한다.
- 능동형 재료 : 입사 된 빛을 변조, switching, 증폭할 수 있는 재료로 , 강유전체 결정, 희토류원소 첨가 유리 등이 있다.
등이 이에 해당한다.
- 능동형 재료 : 입사 된 빛을 변조, switching, 증폭할 수 있는 재료로 , 강유전체 결정, 희토류원소 첨가 유리 등이 있다.
생체재료
인공치아, 인공 뼈, 인공장기 등에 응용되는 재료로 세라믹 재료의 안정성과 생체친화성을 이용한 재료이다.
※세라믹 기계부품 재종은 내마모성, 내열충격성, 강상, 강염기에 대한 높은 저항성 등으로 긴 수명을 보장합니다.
| 구분 | DENSITY | Bending strength | Fracture Tough-ness |
Hardness(HV) | Thermal Conduc-tivity |
Thermal Expand. Coeff. |
Thermal Shock Resis tance |
Max Service Temp |
||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| RT | 1200℃ | RT | 1200℃ | |||||||
| Unit | G/㎤ | Mpa | Mpa.m½ | Kg/㎟ | Cal/㎝.sec.℃ | *10￣6/℃ | △T(℃) | ℃ | ||
| SiC | 3.21 | 400-600 | 400-600 | 4.0-4.5 | 3000 | 1300 | 0.15-0.02 | 4.0-5.0 | 400-500 | 1500 |
| B₄C | 2.87 | - | - | 4.0-5.0 | 3000 | - | 0.07-0.16 | 5.0 | - | 1500 |
| Si₃N₄ | 3.30 | 500-600 | 500-600 | 6.0-7.0 | 1600-1800 | 800-1000 | 0.05-0.09 | 3.3 | 400-600 | 1000 |
| Si₃N₄- | 3.36 | 500-600 | 500-600 | 6.0-8.0 | 1600-1800 | 800-1000 | 0.04-0.08 | 6.0 | 300-500 | 1000 |
| TiB₂ | 4.3 | - | - | 5.0-6.0 | 3000 | - | 0.07-0.16 | 4.6-7.2 | - | 1300 |
| ZrO₂ | 6.05 | 200-300 | 200-300 | 7.0-9.0 | 1100-1200 | 700 | 0.005-0.010 | 9.0-10.0 | 300-500 | 700 |
| Al₂O₃ (IVORY) |
3.90 | 4.0 | 1400-1800 | 0.06 | 7.8 | 200 | 1000 | |||
| WC (GRAY) |
14.0 | 14.0 | 0.20 | 5.0 | ||||||
세라믹 제품의 경도, 인성, 내열충격성
세라믹 제품의 고온강도, 열전도율, 열팽창율 
재종 및 물리적 특성| CERAMIC WEAR | SiC | Si3N4 | Al2O3-TiC | ZrO2 | Al2O3 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | ||
| 밀도 Density | g/cm3 | 3.18 | 3.4 | 3.5 | 2.4 | 4.25 | 6.05 | 5.7 | 3.98 | 3.85 | 3.7 |
| 경도 Hardness | HV | 2500 | 1600 | 1500 | 200 | 2100 | 1250 | 1200 | 1700 | 1500 | 1350 |
| 4곡강도 Bending Strength | MPa | 450 | 850 | 950 | 150 | 800 | 900 | 700 | 400 | 350 | 300 |
| 압축강도 Compressive Strength | MPa | 3500 | 4000 | 3500 | - | 3500 | 2500 | 1800 | 2500 | 2300 | 2100 |
| 파괴인성 Fracture Toughness | MPam1/2 | 3.5 | 5.2 | 5.5 | 5 | 3.5 | 6 | 9 | 3 | 3 | 3 |
| 영률 Young’s Modulus | Gpa | 430 | 290 | 310 | 100 | 410 | 200 | 200 | 390 | 360 | 320 |
| 포아송비 Poisson’s Ratio | 0.16 | 0.28 | 0.28 | 0.26 | 0.2 | 0.31 | 0.3 | 0.23 | 0.23 | 0.23 | |
| 마찰계수 Friction Coeff. | 5N | 0.6 | 0.9 | 0.7 | - | 1 | 0.6 | 0.85 | 1.1 | 1.1 | 1.1 |
| 열전도도 Thermal Conductivity | W/(mK) | 100 | 25 | 40 | 32 | 40 | 3 | 3 | 35 | 30 | 25 |
| 열팽창계수 Thermal Expansion Coeff. | 10-6/K | 4.0 | 3.0 | 3.0 | - | 7.5 | 11 | 10 | 7.9 | 7.9 | 7.5 |
| 내열충격 Thrmal Shock Resistance | ΔT | 400 | 800 | 900 | 1300 | 250 | 300 | 400 | 200 | 200 | 250 |
| 최대사용온도 Maximum Use Temp. | °C | 1800 | 1300 | 1400 | 1600 | 1700 | 1500 | 500 | 1600 | 1600 | 1600 |
| 입자크기 Grain Size | Μm | 5 | 0.7 | 0.7 | - | 1 | 1 | 0.3 | 2.5 | 3.5 | 5 |
| 장축입자크기Elongated Grain Size | Μm | - | 4 | 4 | - | - | - | 65 | - | - | - |
| 내화학성Chemical stability | Acid | Excellent | Good | Good | Good | Normal | |||||
| Alkali | Excellent | Good | Good | Good | Poor | ||||||
