세라믹스는 구조용 재료로 널리 활용되고 있지만 취성이라는 큰 단점으로 많은 연구가 진행되고 있다. 그 중에서 Al2O3는 화학적으로 안정하며 산이나 약품에 대하여 우수한 내식성을 나타내며 내마모성, 기계적 강도가 우수하다고 알려져 있다. 기계적 성질을 증진시키기 위하여 세라믹 기지내에 분산 또는 석출되어진 ZrO2 입자의 정방정상에서 단사정상으로의 ...
세라믹스는 구조용 재료로 널리 활용되고 있지만 취성이라는 큰 단점으로 많은 연구가 진행되고 있다. 그 중에서 Al2O3는 화학적으로 안정하며 산이나 약품에 대하여 우수한 내식성을 나타내며 내마모성, 기계적 강도가 우수하다고 알려져 있다. 기계적 성질을 증진시키기 위하여 세라믹 기지내에 분산 또는 석출되어진 ZrO2 입자의 정방정상에서 단사정상으로의 상변태 과정에서 수반되는 체적변화로 여러 인성기구가 유발된다. 이러한 원리를 바탕으로 하여 안정화 지르코니아(PSZ) 또는 부분안정화 지르코니아(TZP) 입자를 이용한 Al2O3 기지에 ZrO2를 제 2상으로 분산시켜 인성을 증가시킨 새로운 System인 고인성 알루미나(Zirconia Toughened Alumina : ZTA) 이다. ZTA의 기계적 물성은 안정화제의 종류와 함량이 중요한 역할을 한다. 본 연구에서는 산화물 상태의 Al2O3와 ZrO2 및 소결조제를 첨가하여 최적의 분쇄·분산으로 저온에서 높은 기계적 특성을 나타내는 ZTA 소결체를 제조하여 Al2O3 함량에 따른 ZrO2 상의 입자크기변화와 기계적 특성변화를 관찰하였다. ZTA에 소결조제를 첨가하지 않은 경우 3Y-TZP의 함량 증가에 따른 상분석 결과 Al2O3의 회절폭은 감소하며 1500℃에서 ZrO2의 정방정상의 회절폭이 증가함을 확인하였고, 100%의 Al2O3에 25 wt%의 ZrO2가 첨가된 경우 1500℃의 고온에서 4.40 g/cm3의 겉보기 밀도와 1741.8 Hv의 높은 경도로 가장 높은 물성을 나타내었으며, Al2O3와 ZrO2는 소결시 상호 입자성장 억제효과를 나타냄을 확인하였다. 이는 Y2O3의 첨가로 Al2O3, ZrO2, 그리고 Y2O3가 서로 3성분계를 이루어 Al2O3에 대한 ZrO2와 Y2O3의 고용도가 증가되었고 증가된 고용원자에 의해 2성분계 보다 감소되었기 때문이라고 사료된다. ZTA에 소결조제가 첨가된 경우 저온에서 기공발생 및 결정립 성장의 억제로 치밀한 미세구조를 나타내었으며, 특히 소결조제 8 wt%가 첨가된 92%의 Al2O3 모든 조성에서 1400℃의 저온에서 이론밀도 98% 이상의 값을 나타내었고, 1500 Hv 이상의 높은 경도값을 나타내어 저온의 소결체를 제조하였다. Al2O3에 ZrO2의 함량이 증가함에 따라 파괴인성도 점차적으로 상승하다 감소하였고, ZrO2 입자에 의하여 균열의 진행이 멈추거나 편향되며, 과잉 입자성장이 일어난 구간에서는 임계파괴가 발생되는 동시에 Al2O3와 ZrO2의 입내파괴도 동시에 확인되어 균열진행 중 Al2O3 입자주위의 잔류응력이 균열을 편향시켜 3Y-TZP의 파괴인성 증진기구는 균열 편향(Crack deflection) 현상인 것으로 사료된다.
세라믹스는 구조용 재료로 널리 활용되고 있지만 취성이라는 큰 단점으로 많은 연구가 진행되고 있다. 그 중에서 Al2O3는 화학적으로 안정하며 산이나 약품에 대하여 우수한 내식성을 나타내며 내마모성, 기계적 강도가 우수하다고 알려져 있다. 기계적 성질을 증진시키기 위하여 세라믹 기지내에 분산 또는 석출되어진 ZrO2 입자의 정방정상에서 단사정상으로의 상변태 과정에서 수반되는 체적변화로 여러 인성기구가 유발된다. 이러한 원리를 바탕으로 하여 안정화 지르코니아(PSZ) 또는 부분안정화 지르코니아(TZP) 입자를 이용한 Al2O3 기지에 ZrO2를 제 2상으로 분산시켜 인성을 증가시킨 새로운 System인 고인성 알루미나(Zirconia Toughened Alumina : ZTA) 이다. ZTA의 기계적 물성은 안정화제의 종류와 함량이 중요한 역할을 한다. 본 연구에서는 산화물 상태의 Al2O3와 ZrO2 및 소결조제를 첨가하여 최적의 분쇄·분산으로 저온에서 높은 기계적 특성을 나타내는 ZTA 소결체를 제조하여 Al2O3 함량에 따른 ZrO2 상의 입자크기변화와 기계적 특성변화를 관찰하였다. ZTA에 소결조제를 첨가하지 않은 경우 3Y-TZP의 함량 증가에 따른 상분석 결과 Al2O3의 회절폭은 감소하며 1500℃에서 ZrO2의 정방정상의 회절폭이 증가함을 확인하였고, 100%의 Al2O3에 25 wt%의 ZrO2가 첨가된 경우 1500℃의 고온에서 4.40 g/cm3의 겉보기 밀도와 1741.8 Hv의 높은 경도로 가장 높은 물성을 나타내었으며, Al2O3와 ZrO2는 소결시 상호 입자성장 억제효과를 나타냄을 확인하였다. 이는 Y2O3의 첨가로 Al2O3, ZrO2, 그리고 Y2O3가 서로 3성분계를 이루어 Al2O3에 대한 ZrO2와 Y2O3의 고용도가 증가되었고 증가된 고용원자에 의해 2성분계 보다 감소되었기 때문이라고 사료된다. ZTA에 소결조제가 첨가된 경우 저온에서 기공발생 및 결정립 성장의 억제로 치밀한 미세구조를 나타내었으며, 특히 소결조제 8 wt%가 첨가된 92%의 Al2O3 모든 조성에서 1400℃의 저온에서 이론밀도 98% 이상의 값을 나타내었고, 1500 Hv 이상의 높은 경도값을 나타내어 저온의 소결체를 제조하였다. Al2O3에 ZrO2의 함량이 증가함에 따라 파괴인성도 점차적으로 상승하다 감소하였고, ZrO2 입자에 의하여 균열의 진행이 멈추거나 편향되며, 과잉 입자성장이 일어난 구간에서는 임계파괴가 발생되는 동시에 Al2O3와 ZrO2의 입내파괴도 동시에 확인되어 균열진행 중 Al2O3 입자주위의 잔류응력이 균열을 편향시켜 3Y-TZP의 파괴인성 증진기구는 균열 편향(Crack deflection) 현상인 것으로 사료된다.
Ceramics are being widely used as structural materials with many good mechanical properties. But brittleness nature of ceramics is the main disadvantage in many applications. Among ceramic materials, Al2O3 is a chemically stable and excellent acid and wear resistant, and has very high mechanical pro...
Ceramics are being widely used as structural materials with many good mechanical properties. But brittleness nature of ceramics is the main disadvantage in many applications. Among ceramic materials, Al2O3 is a chemically stable and excellent acid and wear resistant, and has very high mechanical properties. In order to improve the mechanical properties of Al2O3 ceramics, ZrO2 is added as dispersed particles to use the phase transformation from tetragonal to monoclinic, which results in the volume change with increase of fracture toughness. Based on these phase transformation, ZTA, zirconia toughened alumina with ZrO2 particles in the Al2O3 has been studied to increase the toughness of alumina. In this study, Sintering behavior of ZTA which has high mechanical properties was observed in accordance with ZrO2 change in Al2O3. ZTA without sintering aids resulted in Al2O3 diffraction pattern decrease with increasing the 3Y-TZP, and the tetragonal ZrO2 amount was increased when sintered at 1500 ℃ ZTA sintered at a low temperature showed grain growth inhibition and showed dense micro-structure. In particular, ZTA with 8 wt% of ZrO2 and 92 wt% of Al2O3 sintered at 1400℃ had more than 98 % of theoretical density, and very high hardness of 1500 Hv. As ZrO2 contents increased in Al2O3 content, the fracture toughness increased. The residual stresses around Al2O3 grains deflected the propagation of cracks and the ZrO2 transformation toughening mechanism resulted in the toughness increase of ZTA.
Ceramics are being widely used as structural materials with many good mechanical properties. But brittleness nature of ceramics is the main disadvantage in many applications. Among ceramic materials, Al2O3 is a chemically stable and excellent acid and wear resistant, and has very high mechanical properties. In order to improve the mechanical properties of Al2O3 ceramics, ZrO2 is added as dispersed particles to use the phase transformation from tetragonal to monoclinic, which results in the volume change with increase of fracture toughness. Based on these phase transformation, ZTA, zirconia toughened alumina with ZrO2 particles in the Al2O3 has been studied to increase the toughness of alumina. In this study, Sintering behavior of ZTA which has high mechanical properties was observed in accordance with ZrO2 change in Al2O3. ZTA without sintering aids resulted in Al2O3 diffraction pattern decrease with increasing the 3Y-TZP, and the tetragonal ZrO2 amount was increased when sintered at 1500 ℃ ZTA sintered at a low temperature showed grain growth inhibition and showed dense micro-structure. In particular, ZTA with 8 wt% of ZrO2 and 92 wt% of Al2O3 sintered at 1400℃ had more than 98 % of theoretical density, and very high hardness of 1500 Hv. As ZrO2 contents increased in Al2O3 content, the fracture toughness increased. The residual stresses around Al2O3 grains deflected the propagation of cracks and the ZrO2 transformation toughening mechanism resulted in the toughness increase of ZTA.
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