소결이 지르코니아 세라믹의 특성에 미치는 영향

지르코늄은 세라믹 소재의 일종으로 높은 강도, 경도, 우수한 내마모성, 내산성 및 내알칼리성, 내열성 등 탁월한 특성을 지니고 있습니다. 산업 분야에서 널리 사용되는 것 외에도, 최근 의치 산업의 활발한 발전과 함께 지르코니아 세라믹은 가장 유망한 의치 재료로 주목받으며 많은 연구자들의 관심을 끌고 있습니다.

소결법

기존의 소결 방법은 열복사, 열전도, 열대류를 통해 지르코니아를 가열하는 방식인데, 이 경우 열은 지르코니아 표면에서 내부로 전달됩니다. 그러나 지르코니아의 열전도율은 알루미나나 다른 세라믹 재료에 비해 떨어집니다. 열응력으로 인한 균열을 방지하기 위해 기존의 가열 방식은 속도가 느리고 시간이 오래 걸려 지르코니아 생산 주기가 길고 생산 비용이 높습니다. 최근에는 지르코니아 가공 기술을 개선하고, 가공 시간을 단축하며, 생산 비용을 절감하고, 고성능 치과용 지르코니아 세라믹 재료를 제공하는 것이 연구의 주요 관심사가 되었으며, 마이크로파 소결은 이러한 목표를 달성할 수 있는 유망한 소결 방법으로 주목받고 있습니다.

마이크로파 소결과 대기압 소결은 반투과성 및 내마모성에 미치는 영향에서 큰 차이가 없는 것으로 나타났습니다. 이는 마이크로파 소결로 얻은 지르코니아의 밀도가 기존 소결로 얻은 것과 유사하고, 두 방법 모두 치밀한 소결이기 때문입니다. 마이크로파 소결은 낮은 소결 온도, 빠른 속도, 짧은 소결 시간이라는 장점을 가지고 있습니다. 반면, 대기압 소결은 온도 상승 속도가 느리고 소결 시간이 길어 전체 소결 시간이 약 6~11시간 정도 소요됩니다. 기존 압력 소결과 비교했을 때, 마이크로파 소결은 소결 시간이 짧고 효율이 높으며 에너지 절약 효과가 있는 새로운 소결 방법으로, 세라믹의 미세구조를 개선할 수 있다는 장점이 있습니다.

일부 학자들은 마이크로파 소결 후 지르코니아가 더 많은 준안정 테트라쿼텟 상을 유지할 수 있다고 주장하는데, 이는 마이크로파 급속 가열이 낮은 온도에서 재료의 급속한 치밀화를 가능하게 하고, 입자 크기가 일반 압력 소결보다 더 작고 균일하며, t-ZrO2의 임계 상변환 크기보다 작기 때문일 가능성이 있다. 이러한 특성은 상온에서 가능한 한 많은 부분을 준안정 상태로 유지하는 데 도움이 되어 세라믹 재료의 강도와 인성을 향상시킨다.

이중 소결 공정

치밀 소결 지르코니아 세라믹은 높은 경도와 강도 때문에 연마 공구로만 가공해야 하며, 가공 비용이 높고 시간이 오래 걸립니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 지르코니아 세라믹은 때때로 2회 소결 공정을 거칩니다. 세라믹 본체 형성 및 초기 소결 후, CAD/CAM 확대 가공을 통해 원하는 형상으로 성형하고, 최종 소결 온도에서 다시 소결하여 재료를 완전히 치밀하게 만듭니다.

두 번의 소결 공정은 지르코니아 세라믹의 소결 속도를 변화시키고, 소결 밀도, 기계적 특성 및 미세 구조에 일정한 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 1회 소결된 지르코니아 세라믹은 2회 소결된 지르코니아 세라믹보다 가공성이 우수했습니다. 또한, 1회 소결된 지르코니아 세라믹의 이축 굽힘 강도와 파괴 인성은 2회 소결된 지르코니아 세라믹보다 높았습니다. 1차 소결된 지르코니아 세라믹의 파괴 양상은 입내/입계 파괴이며, 균열 진행 방향은 비교적 직선적입니다. 2회 소결된 지르코니아 세라믹의 파괴 양상은 주로 입계 파괴이며, 균열 진행 방향은 더욱 구불구불합니다. 복합 파괴 양상은 단순 입계 파괴 양상보다 우수한 특성을 보입니다.

소결 진공

지르코니아는 진공 환경에서 소결해야 하며, 소결 과정에서 다량의 기포가 발생합니다. 진공 환경에서는 기포가 용융 상태의 도재체에서 쉽게 배출되어 지르코니아의 밀도를 향상시키고, 결과적으로 지르코니아의 반투과성 및 기계적 특성을 향상시킵니다.

가열 속도

지르코니아 소결 공정에서 우수한 성능과 기대 결과를 얻기 위해서는 낮은 가열 속도를 적용해야 합니다. 높은 가열 속도는 최종 소결 온도에 도달할 때 지르코니아 내부 온도를 불균일하게 만들어 균열 발생 및 기공 형성을 초래합니다. 연구 결과에 따르면, 가열 속도가 증가함에 따라 지르코니아 결정의 결정화 시간이 단축되고, 결정 사이의 가스가 배출되지 않아 지르코니아 결정 내부의 기공이 약간 증가합니다. 또한, 가열 속도가 증가함에 따라 지르코니아의 정방정상 내에 소량의 단사정상이 존재하게 되는데, 이는 기계적 특성에 영향을 미칩니다. 동시에, 가열 속도가 증가함에 따라 결정립의 분극화, 즉 크고 작은 결정립이 공존하기 쉬워집니다. 반면, 낮은 가열 속도는 보다 균일한 결정립 형성에 유리하며, 이는 지르코니아의 반투과성을 향상시킵니다.