기계재료 (6) - 세라믹재료

과학기술의 진보에 따라 고도의 기능을 가진 재료가 요구되어, 세라믹은 금속재료나 고분자재료가 적용되기 어려운 영역에서 중요한 공업재료로서 각광을 받고 있다. 세라믹은 도자기, 유리, 시멘트 등과 같은 비금속무기재료를 의미하며, 주로 고온에서 소결처리하여얻어진다.

 

이들의 제조에는 천연의 광물원료가 사용되었으나, 근래에 천연원료 정제 또는 합성에 의한 인공원료의 제조를 통해 뛰어난 특성을 가진 새로운 세라믹 (new ceramics,advanced ceramics)이 개발되었다. 이들은 기계공업, 전자공업 빛 우주항공공업이나 생체 재료 등에 널리 이용되고 있다. 이 장에서는 세라믹재료의 구조와 특성, 세라믹 다결정체의 제조법, 역학적 거동, 종류와 용도에 관해서 살펴보기로 한다.

 

 

[구조와 특성]

 

세라믹의 대부분은 미세한 결정립이 무질서하게 집합한 다결정체이지만, 단결정체 또는 유리와 같은 비정질체도 있으며 결정구조를 부분적으로 가진 것도 있다.

 

[1] 세라믹의 화학결합력

세라믹의 기계적 성질은 원자간의 결합력과 직접적인 관계가 있다. 세라믹은 공유결합과 이온결합의 혼합으로 대단히 강한 결합력을 갖는다. 예를 들면, CaO MgO은 이온결합성이 강하며 WC와 SiC는 공유결합성이 강한 물질이다. 일반적으로 산화물은 탄화물이나 질화물에 비해 이온결합성이 강하다.

 

한편, 세라믹의 원자간결합은 다음 그림 (a)와 (b)에 나타낸 바와 같이 두 가지의 최밀충전구조를 형성하며, 이 구조에는 6개의 음이온으로 구성되는 8면체의 중심에 격자간극(음이온으로 충전될 수 없는 공간을 갖는 구조와 4개의 음이온으로 구성되는 4면체의 중심에 격자간극을 갖는 구조가 있다. 격자간극에는 음이온보다 작은 양이온이 충전되어 있다.

원자(○)의 최밀충전구조와 격자간극(●) : (a) 8면체간극, (b) 4면체간극

 

[2] 미세구조와 성질

세라믹은 구성원자나 이온 사이에 작용하는 강한 화학결합력으로 인해 금속재료나 고분자재료와 비교할 수 없을 정도로 고경도, 고탄성계수 등의 우수한 기계적 성질을 가지고 있다. 또한 열적, 화학적, 유전적 성질에서도 탁월한 성능을 보인다. 더욱이 세라믹은 고온이나 부식분위기 등의 가혹한 조건에서 구조용 재료나 기판재료로 이용될 수 있다.

그러나 대부분의 세라믹은 다결정체로서 제작되고 이용되기 때문에 다결정체 고유의 미세구조인 결정입자, 결정간의 계면, 결함 및 기공 등의 상태에 따라 기계적 성질이 크게 달라진다. 기계적 성질에 영향을 주는 세라믹 다결정체의 미세구조적인 인자로는

 

① 주결정입자와 부결정입자의 조성, 결정상, 함유량, 크기와 형상의 분포, 배향성, 내부 변형률, 불순물과 결함, 전위

② 결정입자간 경계영역의 조성, 구조, 잔여변형률, 불순물

③ 결정입자의 표면의 요철상태, 화학적 친화성, 잔여변형률

④ 기공 및 균열의 함유량, 형상과 위치의 분포, 배향성, 기공 내의 함유성분 등이 있다.

 

예를 들면, 경도에 대해서는 주결정입자조성의 영향이 가장 크며, 인장강도에 대해서는 크랙(균열)의 형상과 분포의 영향이 지배적이다. 이들 인자는 세라믹의 제조과정에 의해 크게 변동하고 또한 기계적 성질은 사용분위기나 조건에 의해 달라진다.

 

 

[세라믹 다결정체의 제조법}

 

세라믹 다결정체는 일반적으로 분말상태의 원료를 압축하여 치밀해지도록 성형한 뒤, 이를 소결함으로써 제조한다. 원료분말을 압축하면 이론밀도의 50~70% 정도의 치밀한 조직이 얻어지나, 이것을 용융점 이하의 적절한 온도(용융점의 1/2~4/5 정도의 온도)로소결성형하면 이론밀도에 가까운 다결정체가 생성된다. 소결이란 원료입자가 서로 붙게되어 성형체의 체적 및 입자간에 존재하는 공간이 감소하는 과정이므로, 소결이 가능토록하는 구동력은 고체입자의 표면자유에너지와 내부에너지의 차이에 해당한다.

 

[1] 상압소결법

성형체에 외부의 압력을 가하지 않고 소결시키는 방법으로 예로부터 행하여졌던 가장 일반적인 소결법이다. 소결을 용이하고 치밀하게 하기 위해 원료의 입자지름을 작게 하고 또한 다량의 소결 첨가제를 첨가한다. 산화물계 세라믹은 대기분위기에서 소결성형이 가능하지만, 비산화물의 경우에는 원료입자의 산화반응을 방지할 필요가 있다. 따라서, Si₃N₄의 소결은 N₂ 분위기 중에서, 또한 SiC의 소결은 Ar 분위기나 진공 중에서 행하여진다.

 

[2] 가압소결법

가압소결법 (hot pressing)은 다음 그림에 나타낸 바와 같이 극히 소량의 소결첨가제로 가압에 의해 고밀도로 소결시키는 방법이다.

가압소결장치의 개념도

이 방법에서는 소결을 위한 구동력에 외력에 의한 점성유동과 소성유동의 기여가 더해지기 때문에 상압소결에 비해서 더욱 치밀한 소결재료가 얻어진다.

 

또한 소결온도를 낮출 수도 있고 분말입자의 성장을 억제할 수도 있다. 그러나 일축가압이기 때문에 입자의 배향성이 일어나기 쉽고, 또한 압력분포가 일정하지 않기 때문에 불균일조직이 형성될 수 있으며, 복잡한 형상의 소결체는 제조불가능하다는 단점을 갖고 있다.

 

[3] 열간정수압소결법

열간정수압소결법 (hot-isostatic pressing)이란 다음 그림에 나타낸 바와 같이 등방가압성형과 소결을 동시에 행하여 상기의 가압성형법의 결점을 보완하기 위한 방법이다.

열간정수압소결장치의 개념도

원료 분말을 철, 몰리브덴, 백금 등의 캡슐형에 넣어서 압력매체로써 아르곤(Ar), 질소(N₂), 헬륨(He) 등의 불활성가스를 이용하여 외부로부터 등방적으로 가압하면서 가열한다. 복잡한 형상을 가진 소결체가 상압소결법의 경우보다 저온에서 제조가능하며, 얻어지는 소결체의 조직이 균일하고 이론밀도에 가까운 장점이 있다.

 

[4] 반응소결법

반응소결법(reaction sintering)은 화학반응을 일으킴과 동시에 소결하는 방법이다. 이는 특수한 소결법에 해당하며, Si₃N₄와 SiC 같은 Si를 포함하는 비산화물세라믹의 제조에 이용된다. 예를 들면, 규소 입자의 성형체를 NH₃나 N₂ 분위기 중에서 1300℃ 부근까지 가열하여, 규소의 질화반응에 의한 Si₃N₄ 입자의 소결을 동시에 진행시킴으로써 Si₃N₄ 세라믹을 만든다.

 

 

[종류와 용도]

 

세라믹의 분류방법은 구조별로는 비정질유리와 소결다결정체 및 복합재료가 있고 성분별로는 산화물계, 탄화물계, 질화물계가 있다. 또한 기능별 용도에 따라 기계구조재료, 내열재료, 초경재료, 전자재료, 생체재료, 광학재료, 자기재료, 보석 및 도자기재료 등으로 분류된다. 이들은 양이 풍부한 천연원료를 사용하는 보통 세라믹과 고순도로 정제된 천연원료나 인공원료를 사용하여 제조되는 뉴세라믹(new ceramics)으로 구분되기도 한다.

 

[1] 비정질유리

무기유리는 고분자계 유기유리와 구별되며 광학적으로 투명한 비정질상태의 재료이다. 다음 표는 중요하게 이용되고 있는 구조용 유리 및 기능성 유리이다.

무기유리의 주성분과 용도

구조용 유리 중에 SiO₂를 주성분으로 하는 유리를 총칭하여 규산염 유리라고 한다. 단순산화물인 실리카(석영) 유리는 SiO₂ 단일체로서 내수, 내열성이 우수하고 열팽창계수가 작아 그 용도가 넓으나, 용융점이 1730℃로 높아 제조비가 비싸다. SiO₂에 Na₂O, CaO 등의 망목수식체를 첨가함으로써 용융점을 저하시키고 용이하게 성형하여 제조할 수 있다. 따라서, 실용화되어있는 대부분의 공업용 유리는 SiO₂-Na₂O-CaO을 주성분으로 하는 소다석회유리이다. 이밖에 SiO₂-Al₂O₃ 유리는 연화점이 높기 때문에 고온에서 사용된다. 또한 내식성, 내열성이 우수한 파이렉스유리는 이화학용 경질유리로써 이용된다.

 

한편, 기능성 유리에는 광통신용 섬유유리, 렌즈용 유리, 레이저 핵융합재료용 유리, 고강도 유리, 저열팽창유리 등이 있으며 이들의 성분은 상기 표와 같다.

 

[2] 소결 다결정체

(1) 산화물계 세라믹

이 세라믹은 종류도 다양하고 많은 분야에서 이용되고 있다. 다음 표에 구조재료로 이용되는 대표적인 산화물계 세라믹의 기계적 열적 성질을 나타내었다.

무기유리의 주성분과 용도

알루미나(Al₂O₃)에는 여러 가지 구조형태가 있지만, 그 중에는 고온형 α-Al₂O₃ (6방정계)가 열역학적으로 안정하기 때문에 내열성과 내식성이 우수하고 강도와 경도가 높아 기계재료나 절삭공구용 재료로서 널리 이용된다. 또한 전기절연성도 좋고 저유전손실을 나타내며 생체와의 접합성도 좋다. 따라서, 구조재료뿐만 아니라, IC 회로기판, 절연유리, 인공치아, 인공관절에 이용된다.

 

마그네시아(MgO)는 다른 단순산화물 세라믹과 비교하여 용융점(2800℃)이 높지만, 기계적 성질은 다소 낮은 편이다. 또한 고온에서의 크리프 변형과 열팽창계수가 크기 때문에

 

구조재료로서의 이용에는 한계가 있다. 따라서, 내화물이나 전기절연재료로 많이 이용된다. 지르코니아(ZrO₂)는 우수한 내열성을 가지나, 1100℃ 2370℃에서 결정구조의 상변태가 발생하여 큰 체적변화가 일어난다. 따라서, 종래부터 ZrO₂ MgO, CaO, Y₂O₃를 고용시킨 안정화 지르코니아 (SZ : stabilized zirconia)가 내열재료로 이용되고 있다. 또한 강도와 인성을 높이기 위해 부분안정화 지르코니아(PSZ) 나 지르코니아다결정체(TZP)도 개발되었다. PSZ와 TZP는 세라믹으로서는 고강도, 고인성재료이며 각종 칼날재료나 습동부품, 인공치아 및 인공두개골 등의 생체재료에 실용화되고 있다.

 

베리리아(BeO)는 내열성, 내열충격성, 열전도성, 전기절연성이 우수하여 초고온내화물, 원자로의 반사재, 집적회로용 패키지에 이용된다.

 

(2) 탄화물계 및 질화물계 세라믹

이 재료는 공유결합성이 강하여 열적, 기계적 성질 및 화학적 안정성이 우수하다. 그러나 소결이 용이하지 않기 때문에 재료제조상에 어려움이 있다. 따라서, 상압이나 가압을 이용한 소결법에서 소결첨가제를 소량 첨가하여 불활성 분위기나 질소 분위기 중에서 소결하게 된다.

 

탄화물계 및 질화물계 세라믹의 기계적, 열적 성질은 상기 표에 나타낸 바와 같다. 이 중에서 탄화규소(SiC)와 질화규소(Si₃N₄)는 비산화물세라믹의 대표적인 것으로 1000℃ 이상에서도 고강도, 저열팽창계수를 보이므로 고효율 열기관의 부품재료로서 용도가 기대된다. 탄화물계 세라믹으로는 SiC 이외에 연마재로 이용되는 탄화붕소(B₄C), 절삭공구에 쓰이는 TiC, WC가 있다.

 

질화물계 세라믹으로는 내열 및 방열재료로서 이용되는 질화알루미늄(AlN), 흑연과 유사한 결정구조로 고체 윤활제로 이용되는 6방결정구조로서 6방정 질화붕소(hBN), 절삭공구용 재료로 이용되는 입방정 질화붕소(cBN)가 있다.

 

한편, 새로운 공업용 세라믹(new ceramics)이 기대되는 분야는 다음 표와 같다. 뉴세라믹은 많은 분야에서 수요가 증대되고 있으며 고부가가치 재료로서 각광을 받고 있다.

뉴세라믹의 용도