세라믹 엔지니어링

Ceramic engineering
지구 대기권으로 재진입하는 동안 최대 1,500°C(2,730°F) 이상 가열되는 우주왕복선 외부 시뮬레이션
질화규소 SiN34 100% 베어링 구성품
세라믹 빵 나이프

세라믹 공학은 무기 비금속 물질로 물체를 만드는 과학과 기술이다.이는 열의 작용에 의해 수행되거나 고순도 화학 용액의 침전 반응을 사용하여 낮은 온도에서 수행됩니다.원료의 정제, 해당 화합물의 연구 및 생산, 구성 요소로의 형성 및 구조, 구성 및 특성에 대한 연구를 포함한다.

세라믹 재료는 결정성 또는 부분적으로 결정성 구조를 가질 수 있으며, 원자적 규모로 장거리 질서가 있을 수 있다.유리 세라믹스는 원자 순서가 제한적이거나 단거리인 비정질 또는 유리 구조를 가질 수 있습니다.냉각 시 응고되는 용융 덩어리로 형성되거나 열의 작용으로 형성 및 숙성되거나 열수 또는 솔겔 합성을 사용하여 저온에서 화학적으로 합성됩니다.

세라믹 재료의 특수성은 재료 공학, 전기 공학, 화학 공학기계 공학에서 많은 응용 분야를 야기합니다.세라믹은 내열성이 있기 때문에 금속이나 폴리머와 같은 재료가 적합하지 않은 많은 작업에 사용할 수 있습니다.세라믹 재료는 광업, 항공우주, 의약품, 정유, 식품 및 화학 산업, 포장 과학, 전자, 산업 및 전송 전기, 유도 광파 전송 [1]등 다양한 산업에서 사용됩니다.

역사

"세라믹"이라는 단어는 도자기를 뜻하는 그리스어 ραμμμα ι ( ker ker ker ker ker ker ker ker ker ker ker ker ker ker ker ker am am am그것은 더 오래된 인도-유럽어 어근인 "to burn"[2]과 관련이 있다.세라믹(Ceramic)은 세라믹 재료 또는 세라믹 제조 제품을 나타내는 단수형 명사 또는 형용사로 사용될 수 있다.세라믹스는 세라믹 재료로 물건을 만드는 것이다.세라믹 공학은 많은 과학들과 마찬가지로 오늘날의 표준으로 볼 때 다른 분야로부터 발전했습니다.재료 과학 공학은 [citation needed]오늘날까지 도자기 공학과 함께 분류된다.

레오 모란디의 타일 유리선(1945년경)

아브라함 다비는 1709년 영국 슈롭셔에서 제련 [citation needed]공정의 생산량을 개선하기 위해 코크스를 처음 사용했다.코크스는 현재 탄화물 도자기를 생산하는 데 널리 사용되고 있다.포터 조시아 웨지우드는 1759년 영국 스토크온트렌트에 최초의 현대 도자기 공장을 열었다.러시아의 섬유 산업에 종사하는 오스트리아 화학자 요제프 바이어는 1888년 보크사이트 광석에서 알루미나를 분리하는 공정을 개발했다.바이어 공정은 여전히 세라믹 및 알루미늄 산업의 [citation needed]알루미나를 정제하는 데 사용됩니다.피에르와 자크 퀴리 형제는 1880년경 로셸 소금에서 압전기를 발견했다.압전기는 전기전자학의 주요 특성 중 하나이다.

E.G. 애치슨은 1893년에 코크스와 점토의 혼합물을 가열했고 합성 실리콘 카바이드인 카보룬덤을 발명했다.앙리 모상은 또한 파리의 전기 아크로에서 Acheson과 비슷한 시기에 SiC와 텅스텐 탄화물을 합성했다.칼 슈뢰터는 1923년 독일에서 액상 소결을 이용해 모이산의 텅스텐 탄화물 입자를 코발트와 결합하거나 "시멘트"했다.시멘트로 된(금속 결합) 탄화물 가장자리는 경화강 절삭 공구의 내구성을 크게 향상시킵니다.W.H. 네른스트는 1920년대 베를린에서 입방정체 안정화 지르코니아를 개발했다.이 물질은 배기 시스템에서 산소 센서로 사용됩니다.엔지니어링에서 세라믹을 사용하는 데 있어 가장 큰 제한은 [1]메짐성이다.

군사의

2003년 이라크 전쟁 당시 군인들이 적외선 투명 야간 투시경을 통해 찍은 사진

제2차 세계 대전의 군사적 요구는 발전을 촉진했고, 이것은 고성능 재료의 필요성을 만들어냈고 세라믹 과학과 공학의 발전을 가속화했다.1960년대와 1970년대 내내, 새로운 유형의 도자기가 원자력, 전자, 통신, 그리고 우주 여행의 발전에 대응하여 개발되었다.1986년 세라믹 초전도체의 발견으로 전자기기, 전기모터, 수송기기용 [citation needed]초전도 세라믹 부품을 개발하기 위한 연구에 박차를 가했다.

스펙트럼의 가시 영역(0.4~0.7마이크로미터)과 중적외선 영역(1~5마이크로미터) 주변에서 빛을 투과할 수 있는 능력을 가진 고강도 견고한 소재에 대한 군사 분야의 필요성이 증가하고 있다.이러한 재료는 투명 갑옷이 필요한 용도에 필요합니다.투명 갑옷은 광학적으로 투명하면서도 파편이나 탄도 충격으로부터 보호되도록 설계된 재료 또는 시스템입니다.투명 장갑 시스템의 주요 요건은 지정된 위협을 물리칠 뿐만 아니라 주변 영역의 왜곡을 최소화하면서 다중 타격 능력을 제공하는 것입니다.투명 갑옷 창문은 야간 투시 장비와 호환되어야 합니다.더 얇고 가볍고 탄도 성능이 더 좋은 신소재를 [3]찾고 있습니다.

이러한 고체 부품은 유도광파 전송용 광섬유, 광스위치, 레이저 증폭기 및 렌즈, 고체 레이저용 호스트 및 가스 레이저용 광창 재료, 미사일 유도용 적외선(IR) 탐색 장치 등 다양한 전기 광학 분야에서 널리 사용되고 있다.시스템 및 적외선 야간 [4]투시.

현대 산업

현재 연간 수십억 달러의 산업, 세라믹 공학 및 연구는 과학의 중요한 분야로 자리매김했습니다.연구자들이 다양한 [1][5]목적을 위해 새로운 종류의 도자기를 개발함에 따라 응용 분야가 계속 확대되고 있습니다.

  • 이산화 지르코늄 세라믹스는 칼 제조에 사용된다.세라믹 나이프의 칼날은 강철 나이프보다 훨씬 오랫동안 날카롭게 유지되지만, 더 부서지기 쉽고 단단한 표면에 떨어뜨려 부러질 수 있습니다.
  • 알루미나, 탄화붕소, 탄화규소 등의 세라믹은 소형 무기 소총을 격퇴하기 위해 방탄조끼에 사용되어 왔다.그러한 판은 일반적으로 탄도판이라고 알려져 있다.소재의 무게가 낮기 때문에 일부 군용 항공기의 콕핏을 보호하기 위해 유사한 소재가 사용된다.
  • 세라믹 볼 베어링에는 질화규소 부품이 사용됩니다.경도가 높기 때문에 마모되기 쉽고 3배 이상의 수명을 제공할 수 있습니다.또한 하중을 가해도 덜 변형되므로 베어링 리테이너 벽과의 접촉이 적고 더 빨리 굴릴 수 있습니다.매우 빠른 응용 프로그램에서는 롤링 중 마찰로 인한 열로 인해 금속 베어링에 문제가 발생할 수 있으며 세라믹을 사용하면 문제가 줄어듭니다.세라믹은 또한 내화학성이 뛰어나며 강철 베어링이 녹슬 수 있는 젖은 환경에서 사용할 수 있습니다.세라믹을 사용하는 것의 가장 큰 단점은 비용이 상당히 높다는 것이다.대부분의 경우 전기 절연 특성이 [citation needed]베어링에도 유용할 수 있습니다.
  • 1980년대 초에 도요타는 3300°C 이상의 온도에서 작동할 수 있는 단열 세라믹 엔진의 생산을 연구했습니다.세라믹 엔진은 냉각 시스템이 필요하지 않으므로 상당한 중량 감소가 가능하므로 연비가 향상됩니다.엔진의 연비도 카르노의 정리처럼 고온에서 더 높습니다.기존의 금속 엔진에서는 금속 부품의 용융을 방지하기 위해 연료에서 방출되는 에너지의 대부분을 폐열로 방출해야 합니다.이러한 모든 바람직한 특성에도 불구하고 세라믹 부품을 필요한 정밀도와 내구성으로 제조하기가 어렵기 때문에 이러한 엔진은 생산되지 않습니다.세라믹에 결함이 있으면 균열이 발생하여 잠재적으로 위험한 장비 고장으로 이어질 수 있습니다.이러한 엔진은 실험실 환경에서는 가능하지만, [citation needed]현재 기술로는 대량 생산이 불가능합니다.
  • 가스터빈 엔진용 세라믹 부품 개발 작업이 진행되고 있다.현재 엔진 고온부에 사용되는 첨단 금속 합금으로 만들어진 블레이드도 냉각과 작동 온도 세심한 제한이 필요합니다.세라믹으로 만든 터빈 엔진은 항공기에 일정량의 [citation needed]연료에 대해 더 넓은 항속거리 및 적재량을 제공하면서 보다 효율적으로 작동할 수 있었다.
직조골 콜라겐 파이버
의 전자 현미경 검사 이미지 스캔
  • 최근에는 치과 임플란트나 합성 뼈와 같은 바이오 세라믹스를 포함한 세라믹스의 진보가 일어나고 있다.골격의 천연 미네랄 성분인 히드록시아파타이트는 여러 생물학적, 화학적 원천으로부터 합성되어 세라믹 재료로 형성될 수 있다.이 물질로 만들어진 정형외과 임플란트는 거부반응이나 염증반응 없이 뼈와 다른 조직에 쉽게 결합된다.이것 때문에, 그것들은 유전자 전달과 조직 공학 발판에 큰 관심을 가지고 있다.대부분의 히드록시아파타이트 세라믹은 매우 다공성이며 기계적 강도가 부족하며 뼈에 결합을 형성하는 데 도움이 되는 금속 정형외과 장치를 코팅하는 데 사용됩니다.또한 염증을 줄이고 이러한 플라스틱 물질의 흡수를 증가시키기 위해 정형 플라스틱 나사의 충전재로 사용됩니다.정형외과용 중량 지지 장치용 견고하고 고밀도 나노 결정성 하이드록시아파타이트 세라믹 재료를 만드는 작업이 진행 중이며, 이물질과 플라스틱 정형외과 재료를 합성이지만 자연적으로 발생하는 골격 광물로 대체하고 있습니다.궁극적으로 이러한 세라믹 재료는 뼈 대체재로 사용될 수도 있고 단백질 콜라겐, 합성 [citation needed]뼈의 혼입과 함께 사용될 수도 있다.
  • 내구성 악티니드 함유 세라믹 재료는 잉여 Pu를 연소하기 위한 핵연료 및 무인우주선의 전원공급 또는 마이크로일렉트로닉스 디바이스용 전력생산에 화학적으로 불활성화된 알파조사원 등 많은 응용분야를 가진다.방사성 악티니드의 사용 및 폐기에는 모두 내구성이 뛰어난 숙주 물질에 고정화가 필요하다.악티니드 등의 핵폐기물 장수명 방사성핵종은 다결정 세라믹스 및 대형 [6]단결정 기반의 화학내구성 결정성 재료를 사용하여 고정된다.

유리 세라믹스

열팽창이 거의 없는 고강도 유리 세라믹 조리대.

유리 세라믹 재료는 유리 및 세라믹과 많은 특성을 공유합니다.유리 세라믹은 비정질 상과 하나 이상의 결정상을 가지며, 유리 제조에서는 일반적으로 회피되는 소위 "제어된 결정화"에 의해 생산됩니다.유리 세라믹은 종종 부피 기준 조성의 30%[m/m] ~ 90%[m/m]를 구성하는 결정상을 포함하고 있어 흥미로운 열역학적 [5]특성을 가진 일련의 재료를 산출한다.

유리세라믹스 가공에서는 용융유리를 서서히 냉각한 후 재가열하여 소둔한다.이 열처리에서 유리는 부분적으로 결정화된다.많은 경우, 결정화 과정을 조절하고 제어하기 위해 소위 '핵처리제'가 첨가된다.일반적으로 프레스 및 소결 기능이 없기 때문에 유리 세라믹은 일반적으로 소결 [1]세라믹에 존재하는 다공성의 부피 비율을 포함하지 않습니다.

이 용어는 주로 리튬과 알루미늄 규산염의 혼합물을 가리키며, 이 혼합물은 흥미로운 열역학적 특성을 가진 일련의 재료를 산출합니다.이들 중 가장 상업적으로 중요한 것은 열충격에 대한 불침투성이라는 특징이 있다.따라서 유리 세라믹은 조리대에 매우 유용하게 사용되고 있다.결정성 세라믹 상의 의 열팽창 계수(TEC)는 유리 상태의 양의 TEC와 균형을 이룰 수 있습니다.유리세라믹은 특정 지점(70% 결정)에서 0에 가까운 순 TEC를 가진다.이 유형의 유리 세라믹은 기계적 특성이 뛰어나며 최대 1000°[1][5]C까지 반복적이고 빠른 온도 변화를 지속할 수 있습니다.

처리 단계

기존의 세라믹 공정은 일반적으로 다음 순서를 따릅니다.밀링 → Batching → Mixing → 성형 → 건조 → 소성 [7][8]→ 조립.[9][10]

  • 밀링 가공은 재료를 큰 사이즈에서 작은 사이즈로 줄이는 공정입니다.밀링에는 시멘트의 분해(개개의 입자가 모양을 유지) 또는 분쇄(입자 자체를 더 작은 크기로 분쇄)가 수반될 수 있습니다.밀링은 일반적으로 소모(응집체 파괴 또는 입자 전단화를 초래하는 입자 간 충돌), 압축(파쇄를 초래하는 힘을 가함), 충격(밀링 매체 또는 입자 자체를 사용하여 파쇄를 일으키는 입자) 등의 기계적 방법으로 이루어집니다.소모 밀링 장치에는 물 속에 패들이 있어 물질이 충돌하고 분해되는 소용돌이를 생성하는 습식 스크러버(플래닛 밀 또는 습식 소모 밀이라고도 함)가 포함됩니다.압축기에는 죠크래셔, 롤러크래셔 및 콘크래셔가 포함된다.임팩트 밀에는 재료를 넘어뜨리고 파손하는 매체가 있는 볼 밀이 포함됩니다.샤프트 임팩터는 입자간 마모 및 압축의 원인이 됩니다.
  • Batching은 레시피에 따라 산화물을 측정하여 혼합 및 건조할 수 있도록 준비하는 공정이다.
  • 혼합은 일괄처리 후 이루어지며, 리본 믹서(시멘트 믹서의 일종), 뮬러 [clarification needed]믹서, 퍼그 밀 등 다양한 기계로 이루어집니다.습식 혼합은 일반적으로 동일한 장비를 사용합니다.
  • 성형이란 혼합 재료를 변기에서 스파크 플러그 절연체까지 다양한 모양으로 만드는 것입니다.성형에는 (1) 벽돌을 만들기 위한 압출 등의 압출, (2) 성형부품을 만들기 위한 압출, (3) 변기, 세면대, 도자기상 등의 장식품을 만들 때의 슬립 주조 등이 포함된다.성형하면 건조할 준비가 된 "녹색" 부품이 생성됩니다.녹색 부분은 부드럽고 유연하며 시간이 지남에 따라 모양이 나빠집니다.녹색 제품을 취급하면 모양이 바뀝니다.예를 들어, 녹색 벽돌은 "삭제"될 수 있고, 그것을 짠 후에도 그 상태로 유지됩니다.
  • 건조는 형성된 재료에서 물이나 바인더를 제거하는 것입니다.스프레이 건조는 프레스 작업을 위한 분말을 조제하기 위해 널리 사용됩니다.다른 건조기는 터널 건조기와 정기 건조기입니다.제어된 열은 이 2단계 프로세스에서 적용됩니다.첫째, 열은 물을 제거한다.급가열은 균열과 표면결함의 원인이 되므로 세심한 관리가 필요하다.건조된 부분은 녹색 부분보다 작고 부서지기 쉬우며, 작은 충격으로 인해 부서지거나 부서질 수 있으므로 취급 시 주의가 필요합니다.
  • 소결은 건조된 부품이 제어된 가열 과정을 통과하고 산화물이 화학적으로 변화하여 결합 및 고밀화를 일으키는 것입니다.소성된 부분은 건조된 부분보다 작습니다.

형성 방법

세라믹 성형 기술에는 투척, 슬립캐스팅, 테이프 주조, 동결 주조, 사출 성형, 드라이 프레스, 등정압 프레스, 열간 등정압 프레스(HIP), 3D 프린팅 등이 있습니다.세라믹 분말을 복잡한 모양으로 형성하는 방법은 많은 기술 분야에서 바람직하다.이러한 방법은 열 엔진 구성 요소 터빈과 같은 고급 고온 구조 부품을 생산하기 위해 필요합니다.이러한 공정에서 사용되는 세라믹 이외의 재료에는 목재, 금속, 물, 석고 및 에폭시가 포함될 수 있으며, 이 재료의 대부분은 [7]소성 시 제거됩니다.Martyte와 같은 세라믹 충전 에폭시는 때때로 로켓 배기가스 [11]충돌 조건에서 구조용 강철을 보호하기 위해 사용됩니다.

이러한 성형 기술은 치수 안정성, 표면 품질, 높은(이론에 가까운) 밀도 및 미세 구조의 균일성을 제공하는 도구 및 기타 구성 요소를 제공하는 것으로 잘 알려져 있습니다.세라믹의 특수 형태의 사용 및 다양성이 증가함에 따라 [7]사용되는 공정 기술의 다양성이 증가합니다.

따라서 강화섬유와 필라멘트는 주로 폴리머, sol-gel 또는 CVD 공정에 의해 만들어지지만 용융가공 또한 적용가능성이 있다.가장 널리 사용되는 특수 형태는 층상 구조이며, 전자 기판 및 패키지용 테이프 주물이 탁월합니다.포토 리소그래피는 이러한 패키징을 위한 컨덕터 및 기타 컴포넌트의 정확한 패턴 작성에 대한 관심이 높아지고 있습니다.테이프 주조 또는 성형 공정은 연료 전지와 같은 개방형 구조에서 세라믹 복합 [7]재료에 이르기까지 다른 응용 분야에서도 관심이 높아지고 있습니다.

다른 주요 층 구조는 코팅으로, 용융 분무는 매우 중요하지만 화학 및 물리적 증기 증착 및 화학적 방법(예: sol-gel 및 폴리머 열분해)의 사용이 증가하고 있습니다.성형테이프로부터의 개방구조 외에 벌집촉매 지지체 등의 압출구조 및 각종 발포체 등의 고다공성구조물([7]를 들어 망상포말)의 사용이 증가하고 있다.

고결 분체 밀도는 주로 (무압) 소결로 계속 달성됩니다.그러나 특히 비산화물 및 단순한 형상의 부품에 대해서는 높은 품질(주로 미세구조 균질성)이 필요하며 프레스당 더 큰 크기 또는 여러 부품이 유리할 [7]수 있다.

소결 과정

소결 기반 방법의 원리는 간단하다("sinter"는 영어 "cinder"에 뿌리를 두고 있다).소성은 세라믹의 녹는점보다 낮은 온도에서 이루어집니다."녹색 몸체"라고 불리는 대략적으로 함께 있는 물체가 만들어지면, 그것은 가마에서 구워지고, 그곳에서 원자 분자 확산 과정이 일차적인 미세 구조 특징의 중요한 변화를 일으킨다.여기에는 다공성의 점진적 제거가 포함됩니다. 다공성은 일반적으로 순수축과 구성 요소의 전체적인 밀도화를 수반합니다.따라서 물체의 모공이 닫히므로 강도 및 파단 인성이 상당히 높은 밀도 생성물이 생성될 수 있습니다.

소성 또는 소결 공정 중 차체의 또 다른 중요한 변화는 고체의 다결정 성질이 확립되는 것입니다.소결 과정에서 상당한 입자 성장이 발생하는 경향이 있으며, 이러한 성장은 소결 과정의 온도와 지속 시간에 따라 달라집니다.곡물의 성장은 곡물의 크기 분포의 어떤 형태로든 나타날 것이며, 이는 재료의 궁극적인 물리적 특성에 큰 영향을 미칠 것이다.특히 특정 입자가 미세한 입자의 매트릭스에서 매우 크게 성장하는 비정상적인 입자의 성장은 얻어진 세라믹의 물리적 및 기계적 특성을 크게 변화시킨다.소결체에서 입경은 열가공 파라미터와 초기 입경 또는 처리 초기 단계에서 발생하는 골재 또는 입자 클러스터 크기의 곱이다.

최종 제품의 최종 미세 구조(및 물리적 특성)는 화학 합성 및 물리적 형성의 초기 단계에서 생성되는 구조 템플릿 또는 전구체의 형태에 의해 제한되고 이에 따라 결정된다.따라서 화학분말과 고분자 가공은 공업용 세라믹, 유리 세라믹의 합성과 관련이 있어 중요하다.

소결 공정에는 여러 가지 가능한 개선 사항이 있습니다.가장 일반적인 방법 중 일부는 녹색 본체를 눌러 고밀도화를 먼저 시작하고 필요한 소결 시간을 단축하는 것입니다.때로는 폴리비닐 알코올과 같은 유기 바인더가 첨가되어 그린 바디를 고정시키기도 합니다. 이러한 바인더는 연소 중에(200~350°C에서) 연소됩니다.때로는 밀도를 높이기 위해 프레싱 중에 유기 윤활유를 첨가하기도 합니다.일반적으로 이것들을 조합하여 바인더와 윤활유를 분말에 첨가한 후 프레스를 합니다.(이러한 유기화합물의 제조는 그 자체로 예술이다.이는 특히 전자제품, 콘덴서, 인덕터, 센서 등에 수십억 명이 사용하는 고성능 세라믹 제조에서 중요합니다.)

분말 대신 슬러리를 사용하여 원하는 모양으로 주조하여 건조하고 소결할 수 있다.실제로 전통 도자기는 손으로 만든 플라스틱 혼합물을 사용하여 이런 방식으로 만들어집니다.세라믹에 다른 재료의 혼합물을 함께 사용하는 경우, 소결 온도는 한 개의 작은 구성 요소(액상 소결)의 융점보다 높을 수 있습니다.따라서 솔리드 스테이트 [12]소결보다 소결 시간이 단축됩니다.이러한 액상 소결은 빠른 확산 과정을 수반하며 비정상적인 입자 성장을 초래할 수 있습니다.

세라믹의 강도

재료의 강도는 미세 구조에 따라 달라집니다.재료가 적용되는 엔지니어링 프로세스에 따라 미세 구조가 변경될 수 있습니다.재료의 강도를 변화시키는 강화 메커니즘의 다양성에는 입자 경계 강화 메커니즘이 포함된다.따라서 항복 강도는 입자 크기가 감소함에 따라 극대화되지만, 궁극적으로 입자 크기가 매우 작으면 재료가 부서지기 쉽습니다.항복강도가 재료의 소성변형을 예측하는 파라미터라는 점을 고려하여 재료의 미세구조적 특성과 원하는 최종효과에 따라 재료의 강도를 높이는 방법에 대해 충분한 정보를 바탕으로 결정할 수 있다.

항복 응력과 입자 크기 사이의 관계는 다음과 같은 홀-페치 방정식에 의해 수학적으로 설명됩니다.

여기y k는 강화계수(각 재료에 고유한 상수), θo 전위운동(또는 전위운동에 대한 격자의 저항)에 대한 시작응력 상수, d는 입경, θy 항복응력이다.

이론적으로 입자가 무한히 작아지면 물질은 무한히 강해질 수 있다.안타깝게도 입자 크기의 하한이 재료의 단일 단위 셀이기 때문에 이것은 불가능합니다.또, 소재의 입자가 단일 단위 셀의 크기라면, 장거리의 순서가 없기 때문에, 실제로는 결정체가 아닌 비정질이며, 비정질 재료에서는 전위를 정의할 수 없다.이 보다 작은 입자는 또 다른 항복 메커니즘인 입자 경계 [13]슬라이딩을 겪기 때문에 항복 강도가 가장 높은 미세 구조가 약 10나노미터의 입자 크기라는 것이 실험적으로 관찰되었습니다.나노 재료와 나노 기술에 내재된 초기 입자 크기의 한계 때문에 이러한 이상적인 입자로 엔지니어링 재료를 생산하는 것은 어렵습니다.

화학 가공 이론

미세구조 균일성

미세 세라믹스 처리에서 일반적인 분말의 불규칙한 입경 및 모양은 종종 분말 콤팩트 내의 패킹 밀도 변화를 초래하는 불균일한 패킹 형태학을 초래한다.반데르발스 힘에 의한 분말의 제어되지 않는 응집도 미세구조 [7][14]불균형을 야기할 수 있다.

불균일한 건조 수축의 결과로 발생하는 차분 응력은 용제를 제거할 수 있는 속도와 직접 관련이 있으며, 따라서 다공성의 분포에 크게 의존합니다.이러한 응력은 통합 [15]본체의 플라스틱에서 조각으로의 전환과 관련이 있으며, 완화되지 않을 경우 마모되지 않은 본체의 균열 전파에 영향을 미칠 수 있다.

또한, 킬른을 위해 준비된 콤팩트 내 패킹 밀도의 변동은 소결 공정 중에 증폭되어 불균일한 [16][17]밀도를 생성합니다.밀도 변동과 관련된 일부 기공 및 기타 구조적 결함은 성장하여 끝점 [18]밀도를 제한함으로써 소결 과정에 해로운 역할을 하는 것으로 나타났다.불균일한 밀도화에서 발생하는 차응력 또한 내부 균열을 전파하여 강도 제어 결함이 [19]되는 것으로 나타났다.

따라서 녹색 밀도를 최대화하는 입자 크기 분포를 사용하는 것보다 구성 요소 및 다공성의 분포와 관련하여 물리적으로 균일한 방식으로 재료를 가공하는 것이 바람직해 보입니다.강하게 상호작용하는 입자의 균등하게 분산된 조립체를 현탁액에서 격납하려면 입자-입자 상호작용에 대한 완전한 제어가 필요합니다.단분산 콜로이드는 이러한 [20]가능성을 제공한다.

따라서 예를 들어 콜로이드 실리카의 단분산 분말은 응집된 콜로이드 결정 또는 다결정 콜로이드 고형질에서 높은 질서를 확보하기 위해 충분히 안정화시킬 수 있다.순서의 정도는 장기간의 상관관계를 [21][22]확립할 수 있는 시간과 공간에 의해 제한되는 것으로 보입니다.

이러한 결함 있는 다결정 콜로이드 구조는 준마이크로미터 콜로이드 재료 과학의 기본 요소인 것처럼 보이며, 따라서 다결정 세라믹과 같은 무기 시스템의 미세 구조 진화와 관련된 메커니즘을 보다 엄격하게 이해하는 첫 번째 단계를 제공합니다.

자가 조립

초분자 [23]어셈블리의 예입니다.

자가조립은 외부 힘의 영향 없이 입자(atom, 분자, 콜로이드, 미셀 등)의 자발적 집단을 설명하기 위해 현대 과학계에서 가장 일반적으로 사용되는 용어이다.이러한 입자의 큰 그룹은 열역학적으로 안정적이고 구조적으로 잘 정의된 배열로 조립되는 것으로 알려져 있으며, 이는 야금학 광물학에서 발견되는 7가지 결정계 중 하나(예: 얼굴 중심 입방체, 체 중심 입방체 등)[citation needed]를 상당히 연상시킨다.평형 구조의 근본적인 차이는 각각의 특정한 경우에 단위 셀(또는 격자 매개변수)의 공간적 스케일에 있다.

따라서 자가조립은 화학합성과 나노기술의 새로운 전략으로 떠오르고 있다.분자 자가조립은 다양한 생물학적 시스템에서 관찰되어 왔으며 다양한 복잡한 생물학적 구조의 형성에 기초하고 있다.분자 결정, 액정, 콜로이드, 미셀, 유화, 상분리 폴리머, 박막 및 자가조립 단분자층은 모두 이러한 기술을 사용하여 얻을 수 있는 고순서 구조의 예를 나타냅니다.이러한 방법의 구별되는 특징은 외부 [citation needed]힘이 없을 때의 자기 조직화입니다.

또한 생물학적 세라믹스, 고분자 복합재료, 엘라스토머세포소재의 주요 기계적 특성과 구조를 재평가하고 있다.전통적인 접근법은 기존의 합성 재료를 사용하는 생물학적 재료의 설계 방법에 초점을 맞췄다.여기에는 자연에서 발견된 미세구조적 특징과 디자인을 기반으로 하는 기계적으로 우수한 생체 소재의 새로운 클래스가 포함됩니다.새로운 지평은 자연계의 생물학적 시스템에 특징적인 과정을 통한 생물학적 영감을 받은 물질의 합성에서 확인되었다.여기에는 구성요소의 나노 크기 자체 조립 및 계층 [21][22][24]구조의 개발이 포함됩니다.

세라믹 복합 재료

포르쉐 카레라 GT의 탄소-세라믹(탄화규소) 복합 디스크 브레이크

최근 몇 년 동안 세라믹 복합 재료 제작에 상당한 관심이 생겼습니다.하나 이상의 비세라믹 성분을 가진 복합 재료에 상당한 관심이 있지만, 가장 큰 관심은 모든 성분이 세라믹인 복합 재료에 있다.이들은 일반적으로 연속 매트릭스와 분산상 세라믹 입자, 수염 또는 짧은(절단) 세라믹 섬유 또는 연속 세라믹 섬유라는 두 가지 세라믹 구성 요소로 구성됩니다.문제는 습식 화학 처리와 마찬가지로 분산된 입자 [25]또는 섬유상의 균일하거나 균일한 분포를 얻는 것입니다.[26]

우선 미립자 복합 재료의 처리를 고려합니다.가장 관심 있는 입자상은 준거성 사각형에서 단사정형 결정상으로의 위상 변환에서 얻을 수 있는 강화, 즉 변환 강화로 인해 사각형 지르코니아이다.또한 SiC, TiB, TiC, 붕소, 탄소 등의 경질 비산화물 상과 알루미나 및 물라이트와 같은 산화물 매트릭스의 분산에도 상당한 관심이 있습니다.다른 세라믹 입자, 특히 이방성 열팽창이 높은 세라믹 입자를 통합하는 것도 흥미롭다.예를 들어 AlO, TiO2, 흑연,[25][26] 질화붕소 등이 있습니다23.

탄화규소 단결정

미립자 복합체를 가공할 때 문제는 분산상 및 매트릭스상의 크기 및 공간 분포의 균질성뿐만 아니라 매트릭스 입경의 제어이다.그러나 분산상에 의한 매트릭스 입자의 성장이 억제되어 어느 정도 자기 제어가 내장되어 있다.미립자 복합 재료는 일반적으로 손상, 고장 또는 두 가지 모두에 대한 내성을 증가시키지만, 여전히 조성의 불균일성 및 모공과 같은 기타 가공 결함에 상당히 민감합니다.따라서 효과적인 [1][5]처리를 위해서는 적절한 처리가 필요합니다.

미립자 복합 재료는 두 성분의 분말을 단순히 혼합하여 상업적으로 제조되었습니다.이 접근방식은 본질적으로 달성 가능한 균질성에 제한이 있지만 기존 세라믹 생산 기술에 가장 쉽게 적응할 수 있습니다.그러나 다른 접근법이 [1][5]흥미롭다.

탄화 텅스텐 밀링 비트

기술적 관점에서 볼 때, 입자상 복합재 제작에 있어서 특히 바람직한 접근법은 매트릭스 또는 그 전구체를 시작 분산입자의 크기 및 결과 매트릭스 코팅 두께를 적절히 제어하면서 분산상의 미립자에 코팅하는 것이다.원칙적으로 분배의 동질성에 있어 궁극의 성과를 달성할 수 있어야 하며, 그에 따라 복합 성능을 최적화할 수 있어야 한다.또한 다공성을 가진 물체에서 보다 유용한 복합 성능을 달성할 수 있는 등 다른 영향을 미칠 수 있으며, 이는 열전도율 제한과 같은 다른 요인에도 바람직할 수 있습니다.

또한 세라믹, 미립자, 구레나룻 및 쇼트 파이버, 연속 섬유 복합 재료의 제조에 용융 가공을 이용할 수 있는 몇 가지 기회도 있습니다.용융물의 응고 후의 고체 침전에 의해 미립자 및 위스커 복합재 모두 생각할 수 있는 것은 명백하다.이것은 또한 강수량 강화, 부분 안정화 지르코니아와 같이 소결하여 얻을 수 있다.마찬가지로 세라믹 공정 혼합물을 방향성 고화시켜 일축 배향 섬유 복합물을 얻을 수 있는 것으로 알려져 있다.이러한 복합 가공은 일반적으로 매우 단순한 형상으로 한정되어 높은 가공 [25][26]비용으로 인해 심각한 경제 문제를 겪고 있습니다.

분명히, 이러한 접근 방식 중 많은 부분에 용융 주물을 사용할 가능성이 있습니다.잠재적으로 더 바람직한 것은 용해 유래 입자를 사용하는 것입니다.본 발명의 방법에서는 담금질을 고용체 또는 미세공정구조로 하고, 그 후 보다 전형적인 세라믹 분말가공법으로 입자를 가공하여 유용한 본체로 한다.또한 용해 분무 프로세스와 함께 분산된 미립자, 위스커 또는 섬유상을 도입하여 복합재 형성 수단으로 용해 분무를 사용하려는 예비 시도도 있었습니다.

긴 섬유강화 세라믹 복합재를 제조하기 위한 용융침투 외에 화학증기침투섬유프리폼유기전구체의 침투를 들 수 있으며, 열분해 후 처음에는 저밀도로 비정질 세라믹 매트릭스를 생성한다.침투 및 열분해 사이클을 반복하여 이러한 유형의 세라믹 매트릭스 복합재 중 하나가 생산됩니다.화학적 증기 침투는 탄소/탄소 및 탄소 또는 탄화규소 섬유로 보강된 탄화규소 제조에 사용된다.

많은 공정 개선 외에도 파이버 복합 재료에 대한 두 가지 주요 요구 중 첫 번째 요구는 파이버 비용 절감입니다.두 번째 주요 요구는 산화 [25][26]조건 하에서 고온 복합 노출로 인한 열화를 줄이기 위한 섬유 조성물 또는 코팅 또는 복합 처리입니다.

적용들

실리콘 질화물 스러스터.좌측: 테스트 스탠드에 장착.오른쪽: H/O2 추진제를 사용한2 테스트

기술 세라믹스 제품은 우주왕복선 프로그램에 사용된 타일, 가스버너 노즐, 탄도 보호, 핵연료 우라늄 산화물 펠릿, 바이오 의료용 임플란트, 제트 엔진 터빈 블레이드, 미사일 노즈 콘 등이다.

그 제품은 종종 점토 이외의 물질로 만들어지며, 특정한 물리적 특성 때문에 선택된다.이것들은 다음과 같이 분류할 수 있다.

도자기는 많은 기술 산업에서 사용될 수 있다.한 가지 응용 분야는 NASA의 우주왕복선에 있는 세라믹 타일로, 지구 대기권 재진입의 타는 듯한 열기로부터 우주선과 미래의 초음속 우주선을 보호하기 위해 사용된다.그것들은 또한 전자제품과 광학 분야에서도 널리 사용된다.여기에 열거된 용도 외에도 세라믹은 다양한 엔지니어링 케이스에서 코팅으로 사용됩니다.예를 들어 항공기에 사용되는 티타늄 프레임 위에 세라믹 베어링 코팅이 있습니다.최근에는 기존의 다결정 재료 외에 단결정이나 유리섬유에 대한 연구도 이 분야에 포함되게 되어, 이러한 용도가 중복되어 급속히 변화하고 있습니다.

항공우주

  • 엔진: 고온 작동 중인 항공기 엔진을 다른 구성 요소가 손상되지 않도록 보호합니다.
  • 에어프레임: 높은 응력, 높은 온도, 경량 베어링 및 구조 구성요소로 사용됩니다.
  • 미사일 노즈콘: 미사일 내부가 열로부터 보호됩니다.
  • 스페이스 셔틀 타일
  • 스페이스 데브리 탄도 실드: 세라믹 섬유 직조 실드는 같은 [27]무게의 알루미늄 실드보다 고속(~7km/s) 입자를 더 잘 보호합니다.
  • 로켓 노즐: 로켓 부스터에서 나오는 고온 배기가스를 집중시킵니다.
  • 무인항공기: 항공 응용 프로그램(예: 무인항공기)에서 세라믹 엔진을 사용하면 성능 특성이 향상되고 [28]운영 비용이 절감될 수 있습니다.

바이오메디컬

세라믹 헤드와 폴리에틸렌 아세트볼라 컵을 가진 티타늄 엉덩이 보형물.
  • 인공뼈, 치과 응용 프로그램, 치아.
  • 생분해성 부목, 골다공증에서 회복되는 뼈 강화
  • 임플란트 재료

일렉트로닉스

옵티컬

자동차

생체 재료

왼쪽의 DNA 구조(그림에 표시된 부분)는 오른쪽의 [29]원자력 현미경으로 시각화된 구조로 자가 조립됩니다.

규화는 생물학적 세계에서 매우 흔하며 박테리아, 단세포 생물, 식물 및 동물(반동물과 척추동물)에서 발생합니다.그러한 환경에서 형성된 결정질 광물은 종종 탁월한 물리적 특성(예: 강도, 경도, 파괴 인성)을 보이며, 길이 또는 공간적 규모의 범위에 걸쳐 미세 구조 질서를 나타내는 계층 구조를 형성하는 경향이 있다.광물질은 실리콘과 관련하여 불포화된 환경에서 결정화되며 중성 pH와 저온(0~40°C) 조건에서 결정화됩니다.광물의 형성은 생물체의 세포벽 내부 또는 외부에서 발생할 수 있으며 지질, 단백질 및 탄수화물을 포함한 미네랄 증착을 위한 특정 생화학 반응이 존재한다.

대부분의 천연(또는 생물학적) 재료는 조립되는 약한 성분을 고려할 때 기계적 특성이 뛰어난 복합 복합 재료입니다.수억 년의 진화로부터 상승한 이러한 복잡한 구조는 불리한 조건에서의 고성능을 위한 탁월한 물리적 특성을 가진 새로운 재료의 설계에 영감을 주고 있습니다.계층성, 다기능성, 자가 치유 능력 등의 정의적 특성이 현재 [30]조사되고 있습니다.

기본 구성 요소는 20개의 아미노산으로 시작하여 폴리펩타이드, 다당류 및 폴리펩타이드-당류까지 진행됩니다.이것들은, 차례로, 대부분의 바이오미너럴에 공통적인 '연조직'의 주요 성분인 기본 단백질을 구성합니다.1000개 이상의 단백질이 가능한 현재 연구는 콜라겐, 키틴, 케라틴, 엘라스틴의 사용을 강조한다.'하드' 단계는 종종 결정질 광물에 의해 강화되는데, 결정질 광물은 개별 결정의 크기, 모양 및 분포를 결정하는 생물의학 환경에서 핵을 형성하고 성장한다.가장 중요한 광물상은 히드록시아파타이트, 실리카, 아라고나이트로 확인되었다.Wegst와 Ashby의 분류를 사용하여 생물학적 세라믹, 고분자 복합재료, 엘라스토머 및 세포물질의 주요 기계적 특성과 구조를 제시하였다.각 클래스의 선택된 시스템은 다양한 길이 척도에 걸친 미세 구조와 기계적 반응 사이의 관계에 중점을 두고 조사되고 있습니다.

따라서 자연에서 무기물질의 결정화는 일반적으로 주위 온도와 압력에서 발생한다.그러나 이러한 광물이 형성되는 중요한 유기체는 지속적으로 매우 정밀하고 복잡한 구조를 만들어 낼 수 있다.생물들이 실리카와 같은 결정질 광물의 성장을 조절하는 과정을 이해하는 것은 재료 과학 분야에서 상당한 발전을 가져올 수 있고, 나노 크기의 복합 물질, 즉 나노 복합 물질에 대한 새로운 합성 기술의 문을 열 수 있습니다.

노틸러스 껍데기 안에 있는 무지개색 진주.

전복 껍데기의 자개(또는 진주) 부분의 미세 구조에 대해 고해상도 스캐닝 전자 현미경(SEM) 관찰이 수행되었다.이 셸은 알려진 비금속 물질 중 가장 높은 기계적 강도와 파괴 인성을 나타냅니다.전복의 껍질에서 나온 항아리는 재료 과학에서 가장 집중적으로 연구된 생물학적 구조 중 하나가 되었다.이 이미지에서 명확하게 보이는 것은 얇은 유기 시트로 분리된 깔끔하게 쌓인(또는 정렬된) 광물 타일과 과학자들이 현재 계층적 복합 구조라고 부르는 것을 집합적으로 형성하는 더 큰 주기적 성장대의 매크로 구조입니다.(계층이라는 용어는 단순히 광범위한 길이 [31]척도에 걸쳐 다양한 구조적 특징이 존재한다는 것을 의미합니다.)

미래 개발은 생물학적 시스템의 특징인 가공 방법과 전략을 통한 생물학적 영감을 받은 물질의 합성에 있다.여기에는 구성요소의 나노 크기 자가 조립과 계층 [21][22][24][32]구조의 개발이 포함됩니다.

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