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지르코니아(Zirconia)와 공침법

◈ Zirconia지르코니아는 zircon(ZrSiO₄)와 Baddelyite(ZrO₂)광물에서 얻을 수 있는 재료로서 지르콘광산에서 산출되는 은백색의 단단한 희유금속 원소이며 화학식 ZrO₂이며 산화지르코 늄이라고도 한다. 또한 분자량 123.22, 녹는점 2700℃로 우수한 특성으로 인하여 여러 분야에서 사용되고 있다. 지르코니아는 일반적으로 1~2%의 hafnium을 함유하고 있다. 지르코니아는 높은 용융온도(약 2700℃)를 갖는 내열성 재료로서 이외에도 낮은 열전도도, 내화학안정성을 가지며 낮은 열 팽창성, 고강도 및 고경도의 우수한 재료적 특성을 지고 있어 19세기초부터 유리용융용, 제철 제가용 등의 내열재료로 사용되어 왔으나 세라믹 재료가 갖고 있는 취성 때문에 그 활용 범위가 제한되어 왔었다. 그러나 1975년 Garvie등이 상변태에 의하여 강도가 증진되며 세라믹스의 단점인 취성을 개선할 수 있음이 밝혀진 후 고강도 및 고인성의 지르코니아 세라믹스 제조의 대한 연구가 활발하게 진행되었으며 그 결과 다양한 분야에 지르코니아가 활용되게 되었다.* Hafnium - 주기율표 제4족에 속하는 금속원소로, 원소기호는 Hf이다. 헝가리의 헤베시와 네덜란드의 코스터가 1923년에 노르웨이산 지르콘을 X선스펙트럼에 의하여 조사하고 모즐리의 법칙에 의한 원자번호 72에 해당하는 원소의 존재를 밝혀 명명하였다.1) 지르코니아의 결정구조순수한 지르코니아는 각각 온도에서 3가지 결정상을 가진다. 매우 높은 온도(2370이상)에서 cubic구조(입방정계의 구조이며, 중간온도(1770~2370)에서는 tetragonal 구조(정방정계)를 가진다. 저온(1170도 이하)에서는 이물질은 monoclinic구조(단사정계)로 전이한다. 정방정계에서 단사정계로서의 상전이는 빠르게 진행되고, 약3~5%의 부피가 증가하게 되는데 이 현상으로 인해 재료내부가 광범위한 균열이 발생된다. 이런 거동은 냉각과정중 기계적 특성을 파괴하고 구조적 기계적인 적용이 불가하도록 한다. 지르코니아 결정구조로 용해되는 몇몇 산화물은 결정구조의 변화를 늦추거나 제거할 수 있다.균열이 발생하지 않는 지르코니아를 얻기 위해서 CaO, MgO, CeO₂,Y₂O₃등의 다양한 산화물을 안정화제로 첨사하는데 이와 같은 안정화제를 첨가함에 따라 상온에서 안정한 상이 monoclinic구조가 아닌 tetragomal 또는 cubic구조가 되어 냉각 도중에 변태가 일어나지 않아 균열을 피할 수 있다. 지르코니아는 안정화제의 첨가량에 따라 FSZ,PSZ,TZP로 구분할 수 있다.① 안정화 지르코니아 FSZ(Fully Stabilized Zirconia)FSZ는 안정화제의 첨가량이 가장 많은 경우로 모든 입자들이 cubic 구조로 안정화된 것을 말하며 이 cubic 구조의 지르코니아 고용체는 상온에서 2500℃ 까지 상변태가 일 어나지 않는다. 일반적으로 FSZ를 만들기 위하여 지르코니아에 16mol%의 Y₂O₃(13.75wt%)를 첨가한다.우수한이온 전도성 재료로서 fully yttria stabilized Zircomia(YSZ)는 산소 센서 및 고체 연료 전지 분야에서 활용되는데, 특히, 고체연료저지 분야에서의 이용은 높은 에너지 전환 능력 및 친환경성으로 인하여 세계적으로 관심이 좇아지고 있다.② 부분안정화 지르코니아 PSZ(Partially Stabilized Zirconia)와 정방성 지르코니아 TZP(Tetragomal Zirconia Polycrystals)PSZ는 상온에서 tetragomal 상을 얻을 수 있도록 안정제를 소량 첨가함으로써 제조하 는데 이러한 안정제는 FSZ와 마찬가지로 MgO, Y₂O₃,CaO 및 CeO₂가 있다. PSZ는 일반적으로8mol%(2.77wt%)의MgO,8mol%(3.81wt%)CaO또는 3~4mol%(5.5~7.1wt%) Y₂O₃를 첨가하여 제조한다. 그러면 첨가제가 t-m상변태 온 도를 낮춰줌으로써 상온에서 정방정상이 준안정화 상태로 나타나게 된다. Mg-PSZ는 1750℃ 부근의 Cubic 영역에서 소결한 후 약 1,400℃에서 일반시간 열처리하면 약 150nm 길이 렌즈 모양의 tetragomal 상이 석출되는데 이 tetragomal 상은 50-100um 크기의 Cubic상 지르코니아 결정 입자 안에 갇혀서 상온에서도 tetragomal 상으로 존재하지만 균열이 발생할 때 균열 주위에서 상변태를 일으키며 PSZ에 높은 인성을 제공한다. 한편, Y2O3가 첨가된 지르코니아는 1450℃에서 약 1시간 소결하면 약 0.5㎛ 내외의 tetragomal 결정입자로 이루어진 미세구조를 형성하는데 이 입자들은 응력유기 상변태 인화를 야기한다.2) 지르코니아의 특성지르코니아는 오래전부터 우수한 내열성, 단열성 및 내식성이 알려져 우리 용융용, 제철 제강용 등의 내화물로 사용되어 왔으며 1980년 전후하여 뉴세라믹스로서 지르코니아가 다양한 응용 가능성을 보유하고 있는 재료라는 것이 판명되면서 주목을 받아 왔다.특성용도이온 전도성산소계용 산소센서, 자동차 배기가스, 고온고체 전해질 연료전지등 기타초고온로 저항 발영체, 자동차 배기가스 온도센서, 유전체재료, 압전체재료인성코일 조정용 들라이버, 골포 부품 등내마모성 절상공구, 가위 칼 성유용 가이드 링, 수전구 부품, 연마용 볼, 열적 기능, 단열성, 단열재, 디젤엔진 부품, 연속주 조용 노즐 등광굴절성큐빅 지르코니아, 인조 보석, 폐룰 등화학안정성전기로용 세터, 반도체용 치공구, 촉매요 담체, 생체재료생체와의 반응성재료응용분야생체불활성알류미나 지르코니아정형의과 관련응력지지관절, 골반, 무릎, 어깨, 손목 등 인공치근 및 치관,생체활성Bioglass A/Wglass-ceramicCertival 수산화칼슘(HAp)뼈 결합용 코팅제 인공치근, 척추수술용 보철물생체분해성인산칼슘(TCP)뼈충진제3)지르코니아의 제조방법세라믹스의 제조에 있어서 원료 분말의 특성은 최종제품의 물성에 매우 큰 영향을 미친다. 그러므로 세라믹스 분체의 제조방법에는 여러 가지 방법이 있는데 고상법, 액상법, 기상법에 의한 분체의 합성방법 등이 있다.고상법은 제조방법이 간단하나 조성의 균일성이 다소 떨어지고 아주 미세한 분말을 얻기가 힘들다. 액상법에 의한미분체의 제조에는 화학적 방법과 물리적 방법이 있다. 화학적 방법에는 침전법, 가수분해법이 있는데 침전법에는 공침법, 화합물침전법, 균일침전법 등이 있고, 가수분해법에는 무기염분해법, 알콕시드분해법 등이 있다. 물리적 방법에는 열분해법, 저온건조법이 있는데 열분해법에는 분무건조법, 분무연소법, 용액연소법 등이 있고,저온건조법에는 동결건조법, 에멀젼건조법 등이 있다.

공학/기술| 2008.03.23| 3페이지| 1,000원| 조회(1,870)

재료, 세라믹스, 지르코니아, 취성, Zirconia, ZrO

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