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세라믹과 금속접합에 의한 열응력

전문가 제언: ○ 구조용 세라믹은 고강도 및 내열성이 요구되는 구조물에 대하여 금속재료 대체용으로 사용이 검토되고 있다. 그러나 세라믹은 경량, 내마모성, 고내열성 등의 우수한 특성을 가지고 있으나 취성이 있어 일반 구조물 재료로 활용이 어려웠다.

○ 세라믹/금속접합재는 세라믹재료의 단점을 보완하고 구조용으로 사용을 확대하기 위한 수단으로 개발된 재료이다. 그러나 세라믹과 금속의 접합은 고온에서 접합이 이루어지므로 냉각 시에 두 재료의 열팽창계수의 차이로 인한 접합 잔류응력이 발생한다. 이 응력은 세라믹 측에 인장응력을 발생시켜 접합재료의 파괴강도를 크게 저하시킨다.

○ 접합부의 잔류응력을 완화시키는 방법에 대한 연구가 세라믹/금속접합재의 실용화에 필수적이며 이를 위한 연구가 활발히 수행되고 있다. 연구는 잔류응력에 대한 평가와 응력을 완화시키는 방법으로 구분된다.

○ 열에 의한 잔류응력 평가는 예측과 실측을 평행하는 것이 일반적이다. 스트레인케이지 이용법, X선에 의한 측정, 레이저·스펙트럼 방법, 유한요소법에 의한 수치해석 등으로 잔류응력에 대한 크기와 분포가 어느 정도 명확히 밝혀지고 있다. 향후 열응력 측정기술이 한층 향상되고 새로운 방법이나 강력한 X선원을 이용하면 높은 분해 능력이 가능하다고 본다.

○ 잔류응력을 완화하는 방법으로 접합형상에 대한 것과 중간층을 이용하는 방법이 사용되고 있다. 세라믹은 가공이 어려워 중간층을 이용하는 평면접합이 용이하다. 일반적으로 연금속을 중간층으로 이용하는 방법이 많이 실시되고 있으며 복합재료나, 세로구조 중간층을 이용하여 열응력을 완화시키는 방법도 활용되고 있다.

○ 세라믹/금속결합재는 향후에도 큰 발전이 기대되는 재료로서 이에 대한 새로운 프로세스나 평가에 대한 새로운 방법이 개발될 것으로 본다. 세라미스트와 기계, 금속을 연구하는 사람들의 많은 연구가 있기를 바란다.

저자: Katsuaki Suganuma
자료유형: 학술정보