높은 경도, 고온 내성, 내식성, 우수한 절연성 등 우수한 특성을 지닌 알루미나 세라믹 부품은 전자, 의료, 항공우주 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 정밀 전자 부품부터 혹독한 환경에서 사용되는 기계 부품까지, 알루미나 세라믹 부품은 어디에서나 찾아볼 수 있습니다. 하지만 단순히 알루미나 분말에 물을 첨가하고 고온에서 소성하는 것만으로는 우수한 특성을 가진 고성능 세라믹 부품을 직접 생산할 수 없습니다. 이러한 성능 향상에는 첨가제가 중요한 역할을 합니다.
순수 알루미나는 융점이 최대 2050℃이며, 소결 온도는 일반적으로 1600℃ 이상이어야 합니다. 이는 높은 에너지 소비로 이어질 뿐만 아니라, 입자가 조대해지고 성능이 저하되기 쉽습니다. 또한, 알루미나 자체는 취성이 매우 강하고, 직접 소결된 세라믹은 균열이 발생하기 쉬워 정밀 기기의 요구 사항을 충족하기 어렵습니다. 첨가제의 기능은 다음과 같습니다.
① 소결온도를 낮춤(에너지 절감 및 비용 절감)
② 밀도 향상(기공 감소 및 강도 향상)
③ 결정립계 구조 최적화(인성 및 내열충격성 향상)
④ 전기적/열적 특성(절연성, 열전도도 등)을 조절합니다.
이 기사에서는 일반적으로 사용되는 몇 가지 첨가제를 소개합니다.
1. 플럭스: 소결 온도를 낮추고 밀도를 향상시킵니다.
알루미나는 높은 융점을 가지고 있어 직접 소결은 막대한 에너지를 소모할 뿐만 아니라 장비에 대한 요구 사항도 매우 높습니다. 플럭스의 등장은 이 문제를 효과적으로 해결했습니다. 플럭스는 마치 온도 조절기와 같은 역할을 하여 알루미나 세라믹의 소결 온도를 낮춰 소결 공정의 효율과 에너지 절감을 실현합니다.
(1) 이산화티타늄(이산화티타늄₂)은 일반적인 플럭스 중 하나입니다. 소결 과정에서 알루미나와 반응하여 공융점을 형성하여 액상이 나타나는 온도를 낮출 수 있습니다. 이는 요리와 유사하며, 특별한 양념을 첨가하면 재료가 이상적인 조리 상태에 더 빨리 도달할 수 있습니다. 이산화티타늄을 플럭스로 사용하면 소결 온도를 낮출 뿐만 아니라 알루미나 세라믹의 경도를 어느 정도 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, 절삭 공정에 사용되는 일부 알루미나 세라믹 커터의 경우, 적정량의 이산화티타늄을 첨가하면 높은 경도를 유지하면서도 커터의 내마모성을 향상시켜 수명을 연장할 수 있습니다.
(2) 산화 이트륨(Y₂O₃) 또한 중요한 플럭스입니다. 고온에서 알루미나의 결정상 변화를 억제하여 세라믹 구조의 안정성을 유지할 수 있습니다. 고온 환경에서 사용되는 전자 부품의 베이스와 같이 열 안정성이 매우 높은 알루미나 세라믹 제품의 경우, 산화 이트륨을 첨가하면 세라믹 부품에 우수한 열충격 저항성을 부여하여 급격한 온도 변화 환경에서도 균열 발생을 줄일 수 있습니다.
(3) 산화칼슘(산화칼슘)은 소결 온도를 낮추는 효과도 있습니다. 알루미나와 공융점을 형성하여 에너지 소비를 줄이는 동시에 과도한 입자 성장을 방지하여 미세 입자 구조를 가진 세라믹을 얻는 데 도움이 됩니다. 미세 입자 구조를 가진 세라믹은 일반적으로 강도와 인성이 더 높습니다. 내마모성 기계 장비 부품과 같이 큰 외력을 견뎌야 하는 일부 알루미나 세라믹 부품의 경우, 산화칼슘을 첨가하면 부품의 성능을 향상시킬 수 있습니다.
2. 강화 및 인성 강화제: 파괴인성을 향상시키고 취성을 감소시킵니다.
알루미나 세라믹은 경도가 높지만 인성이 상대적으로 낮아 외부 충격에 취약하여 취성 파괴가 발생하기 쉽습니다. 강화제 및 인성 강화제의 등장은 알루미나 세라믹 부품에 "armor" 층을 덧입히는 것과 같으며, 이를 통해 강도와 인성을 효과적으로 향상시킬 수 있습니다.
탄화규소(SiC)는 일반적으로 사용되는 강화 및 인성 강화제입니다. SiC 입자는 알루미나 매트릭스에 균일하게 분포되어 있습니다. 세라믹 부품이 외력을 받으면 SiC 입자가 균열의 확산을 방해할 수 있습니다. 이는 도로에 장애물을 설치하는 것과 유사합니다. 균열이 SiC 입자에 부딪히면 확산 방향이 바뀌어 더 많은 에너지를 소비하고 세라믹 부품의 파손 가능성을 낮춥니다. 고하중 환경에서 사용되는 알루미나 세라믹 베어링에 탄화규소를 첨가하면 베어링의 지지력과 수명을 크게 향상시킬 수 있습니다.
질화붕소(비엔)는 강화 및 인성 강화제 계열에 속합니다. 세라믹의 마찰 성능을 향상시키고 강도와 인성을 향상시킬 수 있습니다. 밀봉에 사용되는 세라믹 링과 같이 우수한 마찰 성능이 요구되는 일부 알루미나 세라믹 부품의 경우, 질화붕소를 첨가하면 부품 간 마찰과 마모를 줄이고 밀봉 효과를 향상시키며 부품의 강도를 높여 내구성을 높일 수 있습니다. 단, 첨가량이 10%를 초과하면 경도가 저하될 수 있으므로 윤활성과 강도의 균형을 맞춰야 합니다.
3. 기능성 첨가제 : 전기적, 열적, 광학적 특성을 조절합니다.
기본적인 특성을 개선하는 것 외에도, 기능성 첨가제는 알루미나 세라믹 부품에 고유한 특성을 부여하여 다양한 분야의 요구를 충족시킬 수 있습니다.
(1) 란탄이나 세륨과 같은 희토류 산화물은 전기적 특성을 향상시키는 데 매우 효과적입니다. 고주파 회로용 세라믹 기판과 같이 전자 분야에서 사용되는 일부 알루미나 세라믹 부품에 희토류 산화물을 첨가하면 세라믹의 유전율과 손실 탄젠트를 조절하고, 전기적 성능을 향상시키며, 고주파 환경에서의 작동에 더욱 적합하게 만들고, 전자 분야에서의 응용 범위를 확대할 수 있습니다.
(2) 착색제는 알루미나 세라믹 부품에 색상을 더하는 핵심 요소입니다. 산화크롬이나 산화코발트와 같은 착색제는 알루미나와 반응하여 다양한 색상의 세라믹을 만들 수 있습니다. 세라믹 식기나 장식용 장식품처럼 장식적인 요소가 필요한 일부 세라믹 제품에는 착색제를 첨가하면 세라믹 부품을 더욱 아름답고 다양하게 만들어 다양한 소비자의 미적 요구를 충족할 수 있습니다.
4. 결합제 및 성형 보조제: 분말 유동성과 성형 강도를 향상시킵니다.
알루미나 세라믹 부품의 성형 과정에서 결합제와 성형 보조제는 중요한 역할을 합니다. 마치 알루미나 분말을 다양한 형태의 구조 부품으로 조용히 변형시키는 "unsung 영웅들의 집단과 같습니다.
폴리비닐알코올(피비에이)과 폴리아크릴레이트와 같은 유기 바인더는 접착제처럼 작용하여 그린 바디 성형 과정에서 알루미나 분말을 서로 결합하여 후속 가공 및 소결 공정에 필요한 강도를 제공합니다. 테이프 캐스팅을 예로 들어 보겠습니다. PVA는 알루미나 분말을 용매에 균일하게 분산시켜 적절한 점도와 유동성을 가진 슬러리를 형성한 후, 테이프 캐스팅 공정을 통해 그린 필름으로 주조합니다. 그린 필름이 건조된 후에도 PVA와 같은 바인더는 형태와 구조를 유지하여 후속 가공 과정에서 변형을 방지합니다.
성형 보조제에는 윤활제, 분산제 등이 있습니다. 윤활제는 분말과 금형 사이의 마찰을 줄이고, 금형 마모를 최소화하며, 성형체의 밀도를 균일하게 유지합니다. 건식 프레스 성형 시, 적정량의 윤활제를 첨가하면 분말이 금형에 더 쉽게 충진되어 성형체의 밀도가 향상됩니다. 반면, 분산제는 슬러리 내 분말의 균일한 분산을 통해 응집을 방지합니다. 사출 성형 시, 분산제는 슬러리의 유동성을 향상시켜 복잡한 형상의 세라믹 부품을 성형하기 위한 금형 주입을 용이하게 하는 등 특히 중요한 역할을 합니다.
첨가제는 알루미나 세라믹 부품 제조 공정에서 필수적인 역할을 합니다. 소결 온도 감소 및 성능 향상부터 고유한 특성 부여 및 성형까지, 알루미나 세라믹 부품 생산을 다방면으로 종합적으로 지원합니다. 기술의 지속적인 발전에 따라 앞으로 더욱 다양한 종류의 첨가제가 등장하여 알루미나 세라믹 부품의 성능 향상 및 응용 분야 확장에 더 많은 가능성을 제공할 것입니다.
