세라믹 복합재료는 어떻게 기존 세라믹의 취성 문제를 개선했나요?

Question

일반 세라믹이 잘 깨지는 특성을 가진다고 배우는데, 세라믹 복합재료는 이런 취성 문제를 어떻게 개선해서 항공우주 분야 등에 활용되는지 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 박재화 박사입니다.

세라믹 복합재료는 세람기 내부나 섬유나 입자 같은 보강재를 넣어 균열이 한 번에 퍼지는 것을 막도록 만든 재료입니다.

일반적인 세라믹은 작은 균열이 생기면 그대로 전파되면서 갑자기 깨지기 쉽습니다만, 복합재에서는 균열이 보강재를 만나 방향이 바뀌거나 진행이 늦어지게 됩니다. 특히 세라믹 선유 같은 것들이 균열 양쪽을 붙잡는 경우라면 섬유 브리징 효과가 생기면서 파괴에 더 많은 에너지가 필요해집니다.

균열이 진행되면서 섬유가 뽑혀 나오는 과정에서도 에너지가 소비되기 때문에 한 번에 부서지는 세라믹의 취성이 줄어들게 됩니다. 그리고 섬유와 세라믹 기지 사이의 계면을 적절하게 설계를 한다면 균열을 분산시키면서 손상이 국부적으로 집중되는 현상을 막을 수 있게 됩니다.

Answer 2

세라믹 복합재료의 핵심은 세라믹을 억지로 안 깨지게 만드는 것이 아니고 균열이 한번에 퍼지는 것을 막는 데 있어요.

일반 세라믹은 작은 균열이 생길 경우 그 균열이 빠르게 퍼지면서 갑자기 깨지는 취성파괴가 일어납니다. 복합재료는 세라믹 안에 탐소섬유나, 다른 섬유들을 넣어 균열이 섬유에 부딪히도록 만들어서 균열을 잡아주거나 뽑히면서 에너지를 흡수하기 때문에 파괴가 한꺼번에 진행되는 것을 막아주죠. 그래서 고온에서도 견디면서 일반 세라믹보다는 충격과 균열에 훨씬 강해지는 특징을 가지게 됩니다.

Answer 3

안녕하세요.

일반 세라믹은 강하고 열에 잘 견디는 특징이 있지만 작은 균열이 생겼다면 그 균열이 빠르게 전파하면서 갑자기 깨지는 것이 하나의 약점으로 볼 수 있어요.

세라믹 복합재료는 여기에 다른 재료나 섬유를 넣어서 균열이 한 방향으로 쉽게 진행되지 않도록 만드는 방식으로 세라믹 섬유 같은 것을 넣으면 균열이 섬유를 피해 돌아가거나 섬유가 잡아주는 효과가 생겨 파괴에 필요한 에너지가 커지는 현상이 나타나요.

그래서 순수한 세라믹보다 충격이나 반복적인 하중에 훨씬 버티기 좋아지는 것이죠.

감사합니다.

Answer 4

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

세라믹이 잘 깨지는 건 균열이 생기면 멈출 방법이 없기 때문이에요. 금속은 균열 끝에서 재료가 조금 늘어나며 힘을 흘려보내는데, 세라믹은 원자 결합이 단단해서 그런 여유가 없어요. 작은 흠집 하나가 생기면 균열이 한 번에 재료를 관통해버리죠.

세라믹 복합재료는 내부에 세라믹 섬유를 심어서 이 문제를 풀었어요. 균열이 진행하다 섬유를 만나면 곧장 뚫고 가지 못하고 섬유와 기지 사이 계면을 따라 방향을 꺾어요. 균열이 가야 할 길이 길어지고, 갈라진 틈 사이에서도 섬유가 다리처럼 양쪽을 붙잡아주고, 섬유가 뽑히면서 에너지를 소모해요. 한 방에 쪼개지는 대신 조금씩 버티며 망가지는 재료가 된 거예요.

이 덕분에 깨지기 전에 징후가 나타나는 안전한 파괴가 가능해져서, 1500도를 견디면서 금속보다 가벼운 재료로 우주왕복선 앞부분이나 제트엔진 부품에 쓰이는 거예요 :)

Answer 5

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

세라믹 복합재료는 세라믹 기물 내부에 고강도 세라믹 섬유나 입자 수염상 결정을 결합하여 가하는 충격을 분산시키고 균열의 진행을 물리적으로 저지하는 방식으로 취성을 극복했습니다. 재료에 외부 충격이 가해져 균열이 시작될 때 충격 에너지가 섬유 표면을 따라 꺾이거나 섬유가 뽑혀 나오는 현상이 일어나면서 균열이 재료 전체로 급격히 퍼지는 것을 방지합니다. 또한 세라믹 특유의 뛰어난 내열성과 금속 수준의 강인성을 동시에 갖추게 되어 급격한 온도 변화와 강한 충격에도 파괴되지 않는 특성을 확보했습니다 이 덕분에 기존 금속 부품보다 훨씬 가벼우면서도 1,000도이상의 초고온을 견뎌야 하는 항공기 제트 엔진 터빈 블레이드 우주선 열방호판 초고속 브레이크 패드 등에 핵심 핵심 소재로 널리 활용되고 있습니다