구조용 및 기능성 세라믹

구조용 세라믹은 경도, 강도, 내열성 및 내마모성을 위해 선택된 결정질 무기 고체인 반면, 기능성 세라믹은 유전체, 압전 또는 이온 거동과 같은 전기적, 자기적 또는 광학적 반응을 위해 선택됩니다.

Definition

구조용 세라믹은 주로 기계적 및 열적 특성을 위해 사용되는 결정질 무기 비금속 재료이며, 기능성 세라믹은 결정 구조 및 결함 화학에서 비롯되는 특정 전기적, 자기적 또는 광학적 기능을 위해 사용되는 재료입니다.

Scope

이 주제는 기계적 및 열적 성능에 사용되는 알루미나, 지르코니아, 탄화규소 및 질화규소와 같은 구조용 세라믹과 커패시터, 압전체 및 센서로 사용되는 페로브스카이트 티탄산염과 같은 기능성(전자) 세라믹, 그리고 페라이트 및 고체 전해질 산화물을 포함하여 활용되는 특성에 따라 분류된 결정질 엔지니어링 세라믹을 다룹니다. 이는 조성 및 미세구조와 파괴 인성, 내화성 및 기능적 반응 간의 연관성을 설명합니다.

Core questions

• 어떤 세라믹이 구조적 역할을 하며, 무엇이 그들에게 강도와 내화성을 부여하는가?
• 세라믹의 본질적인 취성을 어떻게 완화할 수 있는가?
• 어떤 결정-화학적 특징이 세라믹을 유전체, 압전체 또는 이온 전도성으로 만드는가?
• 조성 및 미세구조가 세라믹 기능을 어떻게 조절하는가?

Key concepts

• 알루미나, 지르코니아 및 탄화규소
• 파괴 인성 및 결함 제어
• 변태 강화
• 페로브스카이트 유전체 및 압전체
• 페라이트
• 고체 전해질 세라믹

Key theories

구조용 세라믹의 강화

세라믹은 파괴 전에 거의 변형되지 않으므로, 그 신뢰성은 결함 제어 및 지르코니아의 응력 유도 상 변태와 같은 강화 메커니즘에 달려 있습니다. 이는 균열 선단에서 에너지를 흡수하고 파괴 인성을 높입니다.

기능성 세라믹의 결정 화학

기능적 반응은 구조에서 비롯됩니다. 페로브스카이트 티탄산염은 극성 왜곡으로 인해 높은 유전율과 압전성을 나타내고, 페라이트는 초교환을 통해 자기적으로 정렬되며, 결함 도핑된 산화물은 공공을 통해 이온을 전도합니다. 이들 각각은 조성 및 미세구조에 의해 조절될 수 있습니다.

Mechanisms

변태 강화에서는 준안정상이 균열 선단 근처에서 부피 변화와 함께 변태하여 균열을 닫고 에너지를 흡수합니다. 기능성 세라믹에서는 극성 격자 왜곡이 전하를 저장하고 변형과 결합하며, 도핑에 의해 도입된 산소 공공이 이온 전류를 전달합니다.

Clinical relevance

구조용 세라믹은 절삭 공구, 엔진 및 터빈 부품, 내마모성 및 생체 의료 임플란트를 제공하는 반면, 기능성 세라믹은 다층 커패시터, 압전 액추에이터 및 센서, 자기 페라이트 코어 및 고체 산화물 연료 전지 전해질의 기반이 됩니다.

History

킹게리(Kingery)에 의해 설립된 20세기 세라믹 과학은 전통적인 도자기 및 내화물을 가공, 미세구조 및 특성을 연결하는 정량적 분야로 변화시켰습니다. 1970년대 지르코니아의 변태 강화 발견은 세라믹에 사용 가능한 인성을 부여했으며, 티탄산염 유전체 및 압전체에 대한 병행 연구는 전자 세라믹 산업을 창출했습니다.

Key figures

• W. David Kingery
• Ronald Garvie

Seminal works

• kingery1976
• barsoum2003

Frequently asked questions

지르코니아가 대부분의 세라믹보다 더 강한 이유는 무엇입니까?

지르코니아는 준안정 결정상이 실온에서 유지되도록 가공될 수 있습니다. 전파하는 균열 근처에서 응력은 이 상이 약간의 부피 팽창과 함께 변태하도록 유발하여 균열을 닫고 에너지를 흡수하여 파괴 인성을 급격히 증가시킵니다.

페로브스카이트 티탄산염이 전자 제품에 널리 사용되는 이유는 무엇입니까?

티탄산바륨과 같은 티탄산염의 페로브스카이트 구조는 매우 높은 유전율과 압전 결합을 제공하는 작은 극성 왜곡을 지지합니다. 조성 및 미세구조를 조절함으로써 이러한 특성은 커패시터, 센서 및 액추에이터에 맞게 조정될 수 있습니다.