지르코니아 강화 알루미나 소개

지르코니아 강화 알루미나(ZTA) 소개

지르코니아 강화 알루미나(ZTA) 는 알루미나(Al₂O₃)  의 높은 경도와 내마모성  과 지르코니아(ZrO₂)  의 탁월한 파괴인성  을 결합한 고급 세라믹 복합재입니다. ZrO₂ 입자를 Al₂O₃ 매트릭스  에  결합함으로써  ZTA는 기계적 강도, 열 안정성, 그리고 균열 저항성의 탁월한 균형을 이루어 까다로운 엔지니어링 및 생체 의학 분야에 적합합니다.

1. 구성 및 구조

• 매트릭스:  알루미나(Al₂O₃, 70-90 wt%) – 경도와 화학적 안정성을 제공합니다.

• 강화 단계:  지르코니아(ZrO₂, 10-30 중량%) –  상 변환 강화를 통해 파괴 인성을 향상시킵니다 .

• 안정제(선택 사항):  ZrO₂ 상 안정성을 제어하기 위해 Y₂O₃, CeO₂ 또는 MgO를 추가할 수 있습니다.

미세 구조적 특징:

•  Al₂O₃ 매트릭스에 분산된 미세한 ZrO₂ 입자 (일반적으로 <1 µm).

• 정방정계 ZrO₂(t-ZrO₂)는  실온에서 준안정 상태를 유지하여 응력에 의한 상변화가 가능합니다.

2. 주요 특성 및 장점

왜 ZTA를 선택해야 하나요?

✔  Al₂O₃보다 인성이 더 높음  (취성이 낮고 충격에 더 강함)
✔  ZrO₂보다 경도가 더 높음  (내마모성이 더 좋음)
✔  우수한 열 및 화학적 안정성  (혹독한 환경에 적합)
✔  순수 ZrO₂에 대한 비용 효율적인 대안

3. 강화 메커니즘

ZTA의 향상된 파괴 저항성은 다음과 같은 이유 때문입니다.

1. 변형 강화

   • 응력이 가해지면  정방정계 ZrO2(t-ZrO2) → 단사정계 ZrO2(m-ZrO2)  상전이가 발생하여 ~4% 부피 팽창이 발생합니다.

   • 이로 인해  균열 끝부분 주변에 압축 응력이 발생하여  균열 확산이 방해를 받습니다.

2. 미세균열 강화

   • ZrO₂상 변형은 미세균열을 유발하는데, 이는 에너지를 흡수하고 주요 균열을 휘게 합니다.

3. 잔류 응력 효과

   • Al₂O₃와 ZrO₂ 사이의 열팽창 불일치는 유익한 잔류 응력을 발생시킵니다.

4. ZTA의 응용

ZTA는 균형 잡힌 특성을 가지고 있어 다음과 같은 용도로 사용됩니다.

(1) 절삭공구 및 마모부품

• 기계 가공, 연삭 매체, 와이어 드로잉 다이용 인서트.

• Al₂O₃보다 충격 저항성이 우수합니다.

(2) 생체의학 임플란트

• 고관절 및 무릎 관절 교체(순수 ZrO₂의 대안).

• 치과용 크라운과 임플란트.

(3) 산업 및 구조 부품

• 고온 베어링, 씰, 밸브.

• 방탄 장갑(Al₂O₃보다 내구성이 우수함).

(4) 전자 및 에너지

• 센서, 절연체용 기판.

• 고체산화물연료전지(SOFC)의 구성 요소.