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구조용 세라믹스의 나노 금속입자 분산에 의한 균열치유

전문가 제언: ○ 구조용 세라믹스는 내열성, 내마모성, 내산화성, 내식성, 고온 강도특성 및 경량이라는 장점이 있으나 취성과 파괴인성이 낮기 때문에 허용 결함치수가 작아 신뢰성이 부족하다. 특히 결함 민감성이 금속재료에 비해 매우 크기 때문에 세라믹스 자체에 자기 균열치유 능력을 부여한다면 미소 균열을 초기단계에 치유할 수 있어 세라믹 부품의 신뢰성 증가와 정밀검사, 기계가공 및 연마단가의 감소 등 실용 면에서 좋은 방법이라고 할 수 있다.

○ 본고에서는 Al2O3을 바탕 재료로 Ni이나 Co의 나노입자를 분산시킨 복합재료에 대한 표면균열을 치유하는 방법으로 1,200℃, 6h 대기 중 열처리로 균열이 소멸되었다. 이것은 표면에 NiAl2O4와 같은 금속 복합 산화물 층이 생성되기 때문이나 이 산화물 층이 너무 두꺼워지면 금속이온이 표면에 확산하기 어렵기 때문이다. 산화물 층의 성장속도를 억제하는 Y2O3나 SiO2와 같은 소결 보조재를 첨가하면 층의 두께를 감소시켜 균열 치유속도가 빨라진다는 것을 반응속도론 적으로 검토하였다.

○ 국내에서 세라믹스의 균열치유에 관한 연구는 부경대학교 재료강도 및 비파괴평가 실험실의 남기우 교수팀과 국방기술품질원의 손창석 연구원 등이 2006년도에 Al2O3와 SiC 복합재료에 Y2O3을 첨가하거나 Si3N4/SiC 복합재료에 TiO2를 첨가하여 균열치유에 대한 연구를 시작하였다. 2009년도에는 Si3N4 또는 SiC/SiC 복합재료에 SiO2 나노콜로이달을 도포하여 균열 길이 및 균열 폭에 따른 균열치유 특성을 조사하여 균열치유 가능한 길이 및 폭을 찾아내는 연구를 하였다.

○ 가스터빈의 터빈블레이드나 장차 핵융합로의 노벽구조에 사용될 SiC/SiC 복합 세라믹스의 미세균열을 치유할 수 있는 균열치유 방법이 정착된다면 구조용 세라믹스의 응용폭이 훨씬 넓어질 것이다. 앞으로 각 세라믹스마다 균열치유 가능한 균열 길이 및 폭 그리고 치유횟수를 명확히 밝혀두는 것도 해결하여야 할 분야라고 생각한다.

저자: Makoto Nanko and Daisuke Maruoka
자료유형: 학술정보