특수 세라믹은 특수한 기계적, 물리적 또는 화학적 특성을 지닌 세라믹의 한 종류로, 사용되는 원료와 요구되는 생산 기술, 그리고 개발 방향이 일반 세라믹과는 크게 다릅니다. 특성과 용도에 따라 특수 세라믹은 구조용 세라믹과 기능성 세라믹으로 나눌 수 있습니다. 그중 구조용 세라믹은 공학적 구조 재료로 사용될 수 있는 세라믹으로, 일반적으로 높은 강도, 높은 경도, 높은 탄성률, 고온 저항성, 내마모성, 내식성, 내산화성, 열충격 저항성 등의 특성을 지닙니다.
구조용 세라믹에는 여러 종류가 있으며 각각 장단점이 있고, 그 장단점을 적용하는 방향도 다양합니다. 그중에서도 "질화규소 세라믹"은 모든 면에서 성능의 균형이 잘 잡혀 있어 구조용 세라믹 계열에서 가장 우수한 종합 성능을 자랑하며, 매우 광범위한 응용 분야를 가지고 있습니다.
질화규소 세라믹의 장점
질화규소(Si₃N₄)는 [Si₄]₄ 사면체를 구조 단위로 하는 공유 결합 화합물로 나눌 수 있습니다. 아래 그림에서 볼 수 있듯이, 질소와 규소 원자의 구체적인 위치는 사면체의 중심에 규소가 있고, 사면체의 네 꼭짓점에는 질소 원자가 위치합니다. 이렇게 세 개의 사면체가 하나의 원자를 공유하며 3차원 공간으로 계속 확장되어 최종적으로 망상 구조를 형성합니다. 질화규소의 많은 특성은 이러한 사면체 구조와 관련이 있습니다.
질화규소는 α, β, γ 세 가지 결정 구조를 가지며, 그중 α상과 β상이 가장 흔한 형태입니다. 질소 원자들이 매우 단단하게 결합되어 있어 질화규소는 높은 강도, 높은 경도, 고온 저항성을 가지며, 경도는 HRA91~93에 달합니다. 또한, 우수한 열강성을 보여 1300~1400℃의 고온을 견딜 수 있습니다. 탄소 및 금속 원소와의 화학 반응이 적어 마찰 계수가 낮고, 자체 윤활성이 있어 내마모성이 뛰어납니다. 내식성도 우수하여 불산 외에는 다른 무기산과 반응하지 않으며, 고온에서도 산화에 대한 저항성을 보입니다. 열충격 저항성도 뛰어나 공랭 후 급냉 및 급가열에도 파손되지 않습니다. 고온에서 질화규소 세라믹의 크리프 현상이 감소하고, 고온 고정 하중 하에서의 느린 소성 변형이 작습니다.
또한, 질화규소 세라믹은 높은 비강도, 높은 비변형률, 높은 열전도율, 우수한 전기적 특성 등의 장점을 지니고 있어 고온, 고속, 강부식성 매체와 같은 극한 환경에서 특별한 응용 가치를 가지며, 개발 및 응용 분야에서 가장 유망한 구조용 세라믹 소재 중 하나로 여겨지며, 시험이 필요한 많은 응용 분야에서 최우선 선택으로 자주 사용됩니다.
게시 시간: 2023년 8월 15일