학문
내일도손꼽히는호두과자
지르코니아 세라믹은 상변태로 어떻게 파괴인성이 높아지나요?
지르코니아 세라믹의 상변태 인성 강화 원리가 궁금합니다. 정방정상, 단사정상, 부피 팽창도 알려주세요. 이트리아 첨가, 안정화 정도, 소결 온도, 입자 크기, 치과 보철도 궁금합니다. 파괴인성, 취성 재료, 균열 편향, 열차폐 코팅, 산소 센서, 저온 열화, 지르코니아 크라운, 알루미나 비교, 제조 공정, 미세구조, 응용 분야, 시험 방법도 알고 싶습니다
4개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 박재화 박사입니다.
지르코니아는 균열이 생길 때 주변의 정방정상이 단사정상으로 변하면서 3~5% 정도 부피가 팽창하고, 이 팽창이 균열을 눌러 더 퍼지는 것을 막아 파괴인성을 높이게 됩니다.
이트리아를 첨가하게 되면 정방정상을 상온에서도 유지할 수 있으며, 첨가량과 소결온도, 입자 크기에 따라 상변태가 잘 일어나는 정도와 강도, 내구성이 달라집니다. 이 때문에 지르코니아는 일반적인 취성 세라믹보다 균열에 강하고, 알루미나보다 높은 파괴인성을 보여 치과용 크라운이나 구조용 부품에 많이 사용됩니다.
다만 수분이나 열에 오래 노출될 경우 정방정상이 서서히 단사정상으로 변하는 저욘 열화가 생길 수 있기 떄문에 미세구조와 안정화 정도를 잘 조절해야 합니다.
시험방법은 파괴인성, 굽힘강도, X선회절에 의한 상분석 등을 확인하고, 치과 보철 외에도 열차폐 코팅, 산소 센서, 내마모 부품 등 다양한 분야에 활용될 수 있습니다.
채택 보상으로 706베리 받았어요.
채택된 답변안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
지르코니아는 상온에서 단사정, 약 1170도 이상에서 정방정이 안정해요. 정방정이 단사정으로 바뀔 때 부피가 약 4% 늘어나, 순수 지르코니아는 식는 도중 스스로 금이 가요. 이트리아를 3몰% 정도 넣고 결정립을 0.5마이크로미터 안팎으로 작게 소결하면, 상온에서도 정방정이 준안정 상태로 남아요.
균열 끝에 몰린 인장응력은 주변 정방정 입자를 단사정으로 바꿔요. 바뀐 입자가 부풀며 균열 끝을 눌러 닫아서, 균열이 더 자라려면 훨씬 큰 힘이 필요해요. 그래서 파괴인성이 알루미나의 두세 배인 5~10 MPa√m까지 오르고, 강도도 1000MPa을 넘어 치과 크라운에 쓰여요.
결정립이 너무 크면 저절로 변태하고, 너무 작거나 이트리아가 많으면 변태가 잘 안 일어나 인성이 떨어져요. 이트리아를 늘려 입방정을 섞은 4Y, 5Y 지르코니아는 더 투명해 앞니용으로 쓰지만 인성은 낮아요. 습한 환경에서 표면이 서서히 단사정으로 바뀌는 저온 열화도 있어서 인공관절에는 특히 주의해요 :)
안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.
지르코니아 세라믹은 전형적인 취성 재료의 한계를 극복하기 위해 이트리아를 첨가하여 상온에서도 준안정한 정방정상 미세구조를 유지하도록 부분 안정화시킨 3Y-TZP 소재로, 외력에 의해 균열이 전파될 때 균열 첨부의 응력 집중으로 인해 준안정한 정방정상이 단사정상으로 상변태를 일으키며 약 3~5%의 부피 팽창을 동반해 압축 응력장을 형성함으로써 균열의 성장을 기계적으로 억제하는 응력 유도 상변태 인성 강화메커니즘을 통해 파괴인성이 대폭 향상됩니다. 이 과정에서 최적의 기계적 특성을 얻으려면 대략 1400~1500℃ 범위의 소결 온도 제어를 통해 결정립 크기를 임계 크기 미만으로 정밀하게 유지해야 자발적 변태를 막을 수 있으며 알루미나와 비교해 훨씬 뛰어난 굽힘 강도와 파괴인성을 자랑하여 심미성과 내구성이 요구되는 지르코니아 크라운 및 브리지 같은 치과 보철물 분야에 널리 응용됩니다. 나아가 지르코니아는 산소 이온 전도성을 활용한 자동차 및 산업용 산소 센서 고온 환경의 열차폐 코팅 구조용 세라믹 부품 등으로 폭넓게 제조·활용되나 상온 및 수증기 환경에서 장기 노출 시 발생하는 저온 열화 현상과 3점/4점 꺾임 시험, 압흔법등의 엄격한 파괴인성 시험 방법을 통한 품질 검증이 필수적입니다
안녕하세요.
지르코니아는 균열이 발생하면 정방정상이 단사정상으로 바뀌면서 부피가 팽창하는 특징이 있어요.
이때 주변에 압추긍력이 발생해 균열이 더 이상 쉽게 퍼지지 못하는데, 이를 상변태 인성 강화라고 해요. 이트리아를 첨가하면 정방정상을 안정화할 수 있으며, 첨가량과 입자 크기, 소결 조건에 따라 강도와 파괴인성이 달라지죠.
이러한 특성 덕분에 지르코니아는 치과용 크라운과 보철물, 열차폐 코팅, 산소 센서 등에 활용돼요.
문제는 수분과 열인데, 수분과 열에 장기간 노출되면 원치 않는 상변태가 진행되어 성능이 저하될 수 있어 미세구조 관리가 중요해요.
감사합니다.