세라믹은 왜 단단한데도 잘 깨지나요?

Question

세라믹은 금속보다 경도는 높은데 충격을 받으면 쉽게 깨진다고 들었어요. 왜 단단한 것과 잘 깨지지 않는 것이 별개의 성질인지, 세라믹의 어떤 구조적 특징 때문에 이런 취성이 나타나는 건지 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요.

세라믹은 원자들이 이온결합이나 공유결합으로 매우 강하게 연결되어 있어 표면이 잘 긁히지 않아 경도가 높아요. 하지만 세라믹의 특성이 금속처럼 원자층이 서로 미끄러지며 변형되는 소성변형이 거의 일어나지 않습니다. 그래서 충격을 받게 되면 힘을 흡수하지도 못하고, 작은 균열이 발생되게 되는데, 이 균열이 크게 전파하면서 한순간에 깨지게 되요.

단단하다는 것이 긁힘에 강하다는 의미이고, 잘 깨지지 않는 것은 충격을 견디는 인성과 관련된 또 다른 기계적 특성을 의미합니다.

감사합니다.

Answer 2

안녕하세요. 박재화 박사입니다.

세라믹이 단단한데도 잘 깨지는 것은 단단함과 충격에 버티는 능력이 서로 다른 성질이기 때문입니다.

단단하다는 것은 표면이 잘 긁히거나 눌리지 않는다는 의미에 가깝고, 잘 깨지지 않는다는 것은 균열이 생겨도 버틸 수 있느냐인데, 금속은 충격을 받으면 내부 원자층이 조금 미끄러지면서 휘거나 찌그러져 에너지를 흡수하는데, 세라믹은 이온결합이나 공유결합이 강해서 원자들이 쉽게 미끄러지지 못하고, 대신 균열이 바로 퍼지기 쉽습니다.

제조 과정에서 생긴 작은 기공이나 미세균열이 있다면, 충격을 받을 때 그 부분이 깨짐의 시작점이 될 수도 있고요. 그래서 세라믹은 긁힘과 열에는 강하나, 순간적인 충격이나 굽힘에는 약하게 느껴질 수 있습니다.

Answer 3

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

세라믹은 원자들이 강한 이온결합이나 공유결합으로 단단하게 연결되어 있어 경도와 압축 강도는 매우 높지만 외부 충격을 받을 때 원자층이 서로 미끄러지며 변형되는 성질은 거의 없습니다 따라서 금속처럼 충격을 흡수하지 못하고 내부의 작은 균열에 응력이 집중되면 균열이 빠르게 퍼져 쉽게 깨집니다 즉 단단함은 긁힘에 대한 저항이고 질김은 깨짐에 대한 저항이므로 서로 다른 성질입니다 그래서 세라믹은 매우 단단하면서도 취성이 커 충격에는 약한 특성이 보입니다

Answer 4

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

단단함은 흠집이 잘 안나는 성질이고, 잘 안깨지는 건 충격을 받아 넘기는 성질이라 아예 다른 능력이에요. 세라믹은 앞의 것만 갖췄어요.

원자끼리 손을 잡은 방식인데, 금속은 원자들이 느슨하게 얽혀 있어서 힘을 받으면 서로 자리를 바꾸며 슬쩍 미끄러지게 돼요. 이렇게 찌그러지면서 충격을 흡수 하니 웬만해선 안꺠지죠.

반면 세라믹은 원자들이 정해진 자리에서 아주 강하게 붙들려 있어 미끄러질 여지가 없어요. 그 결합이 강한 덕에 단단하지만, 힘을 받아도 빠져나갈 길이 없으니 한계를 넘는 순간 결합이 끊기며 그대로 쪼개지는거죠 :)