세라믹 신소재 강원대학교 신소재공학과 담당교수: 신순기

세라믹의 정의 고순도 미세 분말을 원료로 제조한 고강도, 내마모성, 내열성, 내부식성 등을 갖는 비금속, 무기물, 고체 재료 참고 1) 무기물: 탄소를 함유하지 않는 화합물 + 탄소 산화물 + 탄소 염화물의 총칭 2) 유기물 : 탄소 화합물의 총칭

세라믹의 일반적 특성 금속이나 고분자재료에 비하여 내열성이 우수하다. 경도가 뛰어나다. 취성적 파괴가 일어난다. 부가가치가 높다. 기능적 응용이 가능함.

세라믹스의 종류 대표적인 첨단세라믹스 1) 알루미나 : 내열로재, 절연기판, 애자 2) 지르코니아 : 내화물, 광학유리, 장식품, 연마재 3) 질화알루미나 : 반도체 기판, 방열절연재 4) 질화규소 : 내화물, 공구용, 내식용 5) 탄화규소 : 내화물, 연마재, 발열체, 가스터빈 세라믹 엔진용으로 개발 중

자동차용 세라믹스의 종류와 응용 교과서 201페이지 표 4.2 참조

자동차용 세라믹엔진의 특징 경량 : 비중이 금속의 절반 정도 냉각장치가 불필요

세라믹의 분류 • Properties: • Applications: • Fabrication --Tmelt for glass is moderate, but large for other ceramics. --Small toughness, ductility; large moduli & creep resist. • Applications: --High T, wear resistant, novel uses from charge neutrality. • Fabrication --some glasses can be easily formed --other ceramics can not be formed or cast. 2

세라믹의 응용1 : 내화물 • Need a material to use in high temperature furnaces. • Consider Silica (SiO2) - Alumina (Al2O3) system. • Phase diagram shows: mullite, alumina, and crystobalite (made up of SiO2) tetrahedra as candidate refractories. Composition (wt% alumina) T(°C) 1400 1600 1800 20 00 2200 2 4 6 8 100 alumina + mullite + L Liquid (L) crystobalite alumina + L 3Al O 3 -2 SiO 3

세라믹의 응용2 : DIE BLANKS • Die blanks: • Die surface: --Need wear resistant properties! • Die surface: --4 mm polycrystalline diamond particles that are sintered on to a cemented tungsten carbide substrate. --polycrystalline diamond helps control fracture and gives uniform hardness in all directions. 4

세라믹의 응용3 : 절삭공구 • Tools: • Solutions: --for grinding glass, tungsten, carbide, ceramics --for cutting Si wafers --for oil drilling • Solutions: --manufactured single crystal or polycrystalline diamonds in a metal or resin matrix. --optional coatings (e.g., Ti to help diamonds bond to a Co matrix via alloying) --polycrystalline diamonds resharpen by microfracturing along crystalline planes. oil drill bits blades coated single crystal diamonds polycrystalline diamonds in a resin matrix. 5

세라믹의 응용4 : 센서 • Ex: Oxygen sensor: ZrO2 세라믹의 응용4 : 센서 • Ex: Oxygen sensor: ZrO2 • Principle: Make diffusion of ions fast for rapid response. • Approach: Add Ca impurity to: --increase O2- vacancies --increase O2- diffusion • Operation: --voltage difference produced when O2- ions diffuse between external and references gases. 6

세라믹의 제조방법-I GLASS FORMING • Pressing: • Fiber drawing: • Blowing: Compressed • Blowing: air suspended Parison Finishing mold 7

유리의 구조 • Basic Unit: • Glass is amorphous • Amorphous structure occurs by adding impurities (Na+,Mg2+,Ca2+, Al3+) • Impurities: interfere with formation of crystalline structure. • Quartz is crystalline SiO2: (soda glass) 8

세라믹제조방법-IIA PARTICULATE FORMING • Milling and screening: desired particle size • Mixing particles & water: produces a "slip" • Form a "green" component --Hydroplastic forming: extrude the slip (e.g., into a pipe) --Slip casting: pour slip into mold absorb water “green ceramic” pour slip into mold drain mold “green ceramic” solid component hollow component • Dry and Fire the component 12

DRYING AND FIRING • Drying: layer size and spacing decrease. • Firing: --T raised to (900-1400 C) --vitrification: glass forms from clay and flows between SiO2 particles. 14

세라믹제조방법 -IIB PARTICULATE FORMING • Sintering: useful for both clay and non-clay compositions. • Procedure: --grind to produce ceramic and/or glass particles --inject into mold --press at elevated T to reduce pore size. • Aluminum oxide powder: --sintered at 1700C for 6 minutes. 15

Sintering(소결, 燒結) 액상소결 : 고상상태에서 이루어지는 소결 고상소결 : 액상을 사용하는 소결 분말상태 분말의 접촉 공동의 구상화

세라믹제조방법-III CEMENTATION • Produced in extremely large quantities. • Portland cement: --mix clay and lime bearing materials --calcinate (heat to 1400C) --primary constituents: tri-calcium silicate di-calcium silicate • Adding water --produces a paste which hardens --hardening occurs due to hydration (chemical reactions with the water). • Forming: done usually minutes after hydration begins. 16

요약 • Basic categories of ceramics: • Fabrication Techniques: --glasses --clay products --refractories --cements --advanced ceramics • Fabrication Techniques: --glass forming (impurities affect forming temp). --particulate forming (needed if ductility is limited) --cementation (large volume, room T process) 17

신교수의 한마디 남의 눈치나 살피거나 형식적으로 혹은 타성에 젖어 건성으로 하는 체 하지 마라. 꿈을 이루는 법 남의 눈치나 살피거나 형식적으로 혹은 타성에 젖어 건성으로 하는 체 하지 마라. 대학을 졸업하여도 아무것도 얻을 수 없다. 재대로 하라 재대로 하는 방법 자기자신의 일에 충실 하면서 이웃에 도움을 주는 인생을 살아라. 그러면 꿈은 반드시 이루어진다.