녹는점과 끓는점이 높고 경도가 높은 것이 특징인 지르코니아는 상온에서는 절연체이지만 고온에서는 우수한 전기 전도성을 나타냅니다. 결과적으로 기계, 전자 , 광학, 생물학 및 촉매 작용과같은 다양한 분야에서 구조적 및 기능성 세라믹 재료로 응용할 수 있는 엄청난 잠재력을 가지고 있습니다더욱이, 지르코니아는 고급 세라믹 생산에서 중추적인 "지원 역할"을 담당하며, 소량의 지르코니아를 첨가하면 다른 세라믹 재료의 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다.
I. 지르코니아 강화 알루미나 복합 세라믹
ZrO2의 마르텐사이트 상변태 특성은 세라믹 재료의 파괴 인성과 굴곡 강도를 향상시켜 우수한 기계적 특성을 부여합니다. 또한 지르코니아의 낮은 열전도율과 뛰어난 열충격 저항성은 세라믹 재료의 취성 문제를 완화할 수 있습니다. 요약하면, 강인화는 정방정계 구조에서 단사정계 구조로 전이하는 동안 생성된 에너지를 흡수하여 균열 전파 및 확장을 억제하는 ZrO2의 마르텐사이트 상변태를 주로 활용합니다.
이 메커니즘을 기반으로 Al2O3 세라믹에 지르코니아를 도입하면 지르코니아 강화 알루미나(ZTA) 세라믹이 생성됩니다 . ZrO2는 Al2O3 세라믹 에서 상변태 강화 및 미세 균열 강화 효과를 나타내어 재료를 강화 및 강화시킵니다. 결과적으로 ZTA 세라믹은 구조용 세라믹에서 가장 유망한 재료 중 하나로 간주됩니다.
II. 마그네시아 세라믹의 열충격 저항에 대한 지르코니아의 영향
마그네시아 세라믹은 우수한 내열성, 전기 절연성, 알칼리 금속 슬래그에 대한 강한 저항성을 가지고 있습니다. 마그네슘, 니켈, 우라늄, 토륨, 아연, 알루미늄, 철, 구리, 백금 등의 금속에 화학적으로 불활성이므로 금속 제련용 도가니, 금속 주조용 금형, 고온 열전대용 보호관 등에 적합합니다. , 고온로용 라이닝재 등이 있습니다. 그러나 급격한 온도 변화(열충격) 조건에서는 마그네시아 세라믹의 강도가 크게 감소하여 깨짐이나 취성까지 발생하여 서비스 안전성과 신뢰성이 저하됩니다. 따라서 마그네시아 세라믹의 내열충격성을 강화하고 고온에서의 수명을 연장하는 것은 실질적으로 매우 중요합니다.
연구에 따르면 나노 단사정 지르코니아를 추가하면 마그네시아 세라믹의 미세 구조 균일성이 향상되고 소결 온도가 낮아지며 시료 치밀화가 촉진될 수 있는 것으로 나타났습니다. 나노 단사정 지르코니아가 첨가된 샘플은 미세균열 강화, 상변태 강화 및 미세균열 편향 강화를 통해 향상된 열 충격 저항을 나타냅니다.
III. 초경질 연마재용 세라믹 바인더에 지르코니아가 미치는 영향
저온 세라믹 바인더는 고성능 세라믹 결합 초경질 연마재(다이아몬드, 입방정 질화붕소)를 제조하는 데 중요한 구성 요소이며, 그 특성은 이러한 연마재의 전반적인 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 초경질 연마재의 세라믹 바인더에 대한 기본 성능 요구 사항에는 고강도, 낮은 연화 및 용융 온도, 작은 열팽창 계수, 고온에서의 우수한 습윤 특성이 포함됩니다. 또한, 초경질 연마 입자의 높은 경도와 내마모성으로 인해 대부분의 초경질 연마재용 세라믹 바인더는 상대적으로 높은 회전 속도에서 사용됩니다. 따라서 연마 입자가 연삭 성능을 충분히 발휘하려면 초경질 연마재용 세라믹 바인더는 높은 강도를 가져야 합니다.
B2O3-Al2O3-SiO2 시스템을 기본 세라믹 바인더로 활용하고 다양한 양의 nano-ZrO2를 첨가제로 첨가함으로써 연구자들은 그 함량이 세라믹 바인더의 구조와 특성에 미치는 영향을 연구했습니다. 결과는 nano-ZrO2의 함량이 증가함에 따라 함량이 8%일 때 전체 성능이 최고조에 도달하여 굴곡 강도가 63.41MPa이고 로크웰 경도가 129.8HRC임을 나타냅니다. 세라믹 바인더는 또한 균일한 기공 분포와 우수한 미세구조를 나타냅니다.
또 다른 연구에서 연구자들은 ZrO2를 Na2O-Al2O3-B2O3-SiO2 기반 유리에 통합하여 세라믹 바인더를 제조하고 입방정 질화붕소 연마재의 성능에 대한 ZrO2 함량의 영향을 조사했습니다. 그 결과, ZrO2 함량이 증가할수록 고온 유동성이 감소하고 ZrO2가 유리상에서 결정화를 촉진하는 것으로 나타났습니다. ZrO2 함량이 1%이면 연마 테스트 스트립의 경도는 HRB110.6에 도달하고 굴곡 강도는 27.9% 증가하여 68.23MPa입니다. 또한 마모율이 119% 증가하여 내마모성이 크게 향상되었습니다.
IV. 커런덤 기반 세라믹에 대한 지르코니아의 영향
커런덤 기반 세라믹 재생체는 뛰어난 화학적 안정성, 고온 저항성, 내식성, 우수한 강도 등 여러 가지 장점을 갖고 있습니다. 그러나 부서지기 쉽고 열충격 저항성이 낮습니다. 현재, 나노-ZrO2를 통해 열충격 저항성 향상과 커런덤 기반 세라믹의 강화를 탐구하는 풍부한 문헌이 있습니다.
나노-지르코니아 강화 커런덤 기반 세라믹 재생체의 특성에 대한 연구를 통해 2차 입자인 나노-ZrO2가 세라믹 매트릭스 내에 분산되어 강도와 열충격 저항성이 향상된다는 사실이 밝혀졌습니다. 나노-ZrO2의 강화 효과는 결정상과 밀접한 관련이 있습니다. 도입된 ZrO2가 모두 입방상에 있을 때 상변태 강화는 발생하지 않고 미세균열 강화만 발생합니다. 반대로 정방정계 및 단사정계 ZrO2상이 적당량 존재하면 상변태 강화와 미세균열 강화의 시너지 효과가 나타나 커런덤계 세라믹 재생체의 인성이 크게 향상된다.
V. 열간 압착 AlN 세라믹의 미세 구조 및 기계적 특성에 대한 지르코니아의 영향
높은 열 전도성, 우수한 전기적 특성 및 낮은 열팽창 계수로 유명한 AlN 세라믹은 회로 패키징 기판에 이상적인 재료입니다. 그러나 Si3N4 및 SiC 와 같은 세라믹 소재에 비해AlN 세라믹은 파괴 인성이 낮아 열충격 저항성이 저하되고 가공 난이도가 높아집니다.
핫프레스 소결을 통해 AlN 세라믹을 제조하기 위해 Y2O3 소결 보조제와 결합된 나노-ZrO2 분말을 첨가하는 연구가 수행되었습니다. 결과는 열간 압착된 AlN 세라믹의 상이 주요 AlN 상, Al5Y3O12 결정립계 상 및 새로운 ZrN 상을 포함함을 나타냅니다. ZrO2를 첨가하면 열간 압착된 AlN 세라믹의 비커스 경도는 크게 변하지 않고 파괴 인성은 점차 향상됩니다.
6. BaTiO3 세라믹의 구조와 유전 특성에 대한 지르코니아 도핑의 영향
전자 세라믹은 전자기 기능성 세라믹의 일종으로 최근 몇 년 동안 큰 주목을 받아 왔습니다. 그 중 티탄산바륨 세라믹은 높은 유전율과 우수한 강유전 특성으로 인해 다양한 센서 및 칩 커패시터에 널리 사용됩니다. 그러나 순수한 티탄산바륨의 퀴리 온도는 120°C로 실온에서의 적용이 제한됩니다. 티탄산바륨 기반 세라믹 재료의 유전 특성을 향상시키기 위해 연구자들은 다양한 산화물을 도핑하는 방법을 연구하여 도펀트 산화물과 재료 특성 간의 관계를 부분적으로 이해했습니다.
연구진은 BaCO3, TiO2, ZrO2를 원료로 사용하여 고상 소결을 통해 Zr 함량이 다른 BZT(지르콘산 바륨) 세라믹을 제조했습니다. ZrO2 도핑이 증가함에 따라 BZT 세라믹의 입자 성장은 입자가 촘촘하게 배열되고 윤곽이 뚜렷하며 표면 밀도가 높아져 더욱 규칙적으로 되는 것으로 관찰되었습니다. 실온 환경에서 20%의 Zr4+ 도핑 수준에서 BZT 세라믹은 가장 높은 유전 상수와 가장 낮은 유전 손실을 나타냅니다.
결론
앞서 언급한 세라믹 외에도 수많은 연구자들이 다른 세라믹 시스템에서 지르코니아의 영향을 조사했습니다. 예를 들어, 연구에 따르면 ZrO2는 주로 결정립계의 두 번째 상으로 존재하여 ZnO 결정립과 반응하지 않고 결정립 성장을 억제하는 것으로 나타났습니다. 또한, ZrO2는 저온에서 BaCo0.194Zn0.116Nb0.69O3 마이크로파 유전체 세라믹의 소결을 효과적으로 촉진하는 것으로 밝혀졌습니다.
