소개글
"지르코니아 시편제조 물성측정"에 대한 내용입니다.
목차
1. 서론
1.1. 실험 목적
1.2. 이트리아 안정화 지르코니아
2. 이론 배경
2.1. 지르코니아의 결정구조 및 안정화
2.2. 공침법
2.3. 하소 온도에 따른 상변이
2.4. 분쇄 과정과 성형 과정이 밀도에 미치는 영향
2.5. 소결 온도가 상대밀도에 미치는 영향
2.6. 밀도 측정과 경도 측정
3. 실험 도구 및 시약
4. 실험 과정
4.1. 분말 합성
4.2. 분쇄 및 건조
4.3. 하소
4.4. 성형
4.5. 소결
4.6. 밀도 측정
4.7. 경도 측정
5. 결과 및 고찰
5.1. 소결 밀도 및 상대밀도
5.2. 경도 측정 결과
5.3. 오차 원인 및 개선 방안
6. 참고 문헌
본문내용
1. 서론
1.1. 실험 목적
2016년 1학기에 세라믹스 화학을 통해 이론으로 배웠던 지르코니아와 시편을 소결할 때 생기는 미세구조 변화에 대해 직접 실험하여 이해하고, 전자현미경을 통해 미세구조를 관찰하는 것이 이 실험의 목적이다.
1.2. 이트리아 안정화 지르코니아
이트리아 안정화 지르코니아는 순수한 지르코니아가 가지고 있는 결정구조 변화에 따른 부피 증가로 인한 응력 발생과 기계적 특성 저하를 방지하기 위해 이트리아(Y2O3)를 첨가하여 안정화시킨 지르코니아이다.
순수한 지르코니아는 온도에 따라 단사정계, 정방정계, 입방정계의 세 가지 결정구조를 가지고 있다. 상온에서는 단사정계 구조가 안정하지만, 1170°C 이상에서는 정방정계, 2370°C 이상에서는 입방정계 구조가 안정하다. 이러한 결정구조의 변화에 따라 소결 후 상온으로 냉각되면 정방정계 상이 단사정계 상으로 전이되면서 부피가 증가하게 되어 내부에 응력이 발생하고 기계적 결함이나 파괴가 일어날 수 있다.
이를 방지하기 위해 이트리아와 같은 안정화제를 첨가하여 상온에서도 정방정계나 입방정계 상을 유지시킨 것이 이트리아 안정화 지르코니아이다. 특히 정방정 지르코니아 다결정체(Tetragonal Zirconia Polycrystals, TZP)와 완전 안정화 지르코니아(Fully Stabilized Zirconia, FSZ)는 우수한 강도, 파괴 인성 및 손상 내성 등의 기계적 특성으로 인해 구조용 부품뿐만 아니라 광학, 생체 재료 분야에 널리 사용되고 있다.
이러한 YSZ(Y2O3-stabilized ZrO2)의 경우 안정화제인 Y2O3의 첨가량에 따라 안정화 정도가 달라진다. 부분 안정화된 경우 stress-induced martensite 변태를 이용하여 파괴 인성과 강도를 증진시켜 구조용 재료로 사용하고, 완전 안정화된 경우 높은 이온 전도성을 가져 고체 전해질이나 산소 센서, 렌즈, 프리즘 등으로 응용된다.
2. 이론 배경
2.1. 지르코니아의 결정구조 및 안정화
지르코니아의 결정구조 및 안정화는 다음과 같다.
순수한 지르코니아는 상온에서 단사정(monoclinic) 구조를 가지며, 1,170°C 이상에서 정방정(tetragonal) 구조, 2,370°C 이상에서 입방정(cubic) 구조를 갖는다. 이러한 결정 구조의 변화에 따라 소결 후 상온으로 냉각 시 정방정 상이 단사정 상으로 전이하게 되어 부피가 증가하므로 내부에 응력이 발생하게 되어 기계적 특성이 저하된다.
이를 해결하기 위해 안정화제를 첨가하여 상온에서 단사정보다 안정한 준안정상태의 정방정이나 입방정을 유지시킨다. 이를 안정화 지르코니아(Stabilized Zirconia, SZ)라고 한다. 정방정 지르코니아 다결정체(Tetragonal Zirconia Polycrystals, TZP)는 모든 입자를 정방정으로 안정화시킨 것이며, 완전 안정화 지르코니아(Fully Stabilized Zirconia, FSZ)는 모든 입자를 입방정으로 안정화시킨 것이다. 부분 안정화 지르코니아(Partially Stabilized Zirconia, PSZ)는 입방정 지르코니아 내에 정방정상 입자를 석출시킨 것이다.
안정화제는 정방정상에서 단사정상으로의 전이 온도를 낮추어 고온의 정방정상을 상온에서 안정화하고, 결정 내에 산소 공공(vacancy)을 생성시켜 격자상수를 변화시킴으로써 상전이에 관여한다. 대표적으로 이트리아(Y2O3)로 안정화한 Y-TZP 세라믹스는 강도, 파괴 인성 및 손상 내성이 우수하여 구조용 부품 및 광학, 생체 분야에 응용된다.
2.2. 공침법
공침법은 금속 이온과 염기를 반응시켜 금속 수산화물을 침전시키는 방법이다. 지르코늄 이온(Zr4+)과 암모니아수(NH4OH)를 반응시켜 수산화 지르코늄(Zr(OH)4)을 침전시키고, 이트륨 이온(Y3+)도 함께 공침되어 Y-stabilized ZrO2(YSZ) 분말을 합성할 수 있다.
ZrOCl2·8H2O가 수화되면 사합체인 [Zr4(OH)8(H2O)16]8+로 존재하게 되며, 염기성 용액의 첨가에 의해 pH가 증가함에 따라 사합체의 물 리간드는 이온화되어 수화물로써 착물을 형성한다. 이 과정에서 OH- 이온을 첨가하면 수산화 지르코늄 사합체의 물이 줄어들어 수산화 지르코늄의 침전물이 형성된다. 또한 낮은 pH 조건에서 용해되어 있는 수산화 이트륨이 pH 감소에 따라 공침하여 비정질 상을 형성하게 된다.
pH에 따른 응집 입자의 크기는 pH가 7일 때 가장 크고, pH 10까지 감소하다가 pH 11에서 다시 증가하게 된다. pH가 7일 때의 응집 입자는 Zr(OH)4 구조와 가장 유사하며, 이 구조와 가까울수록 정방정 ZrO2의 생성온도가 낮아진다. 또한 pH가 7일 때 정방정의 생성온도가 가장 낮으므로 안정성이 우수한 시편을 제조할 수 있다.
공침 과정에서 Cl- 이온이 함께 공침되므로 증류수와 에탄올을 이용하여 충분히 세척해야 한다. Cl- 이온이 남아있으면 소결 과정에서 증발되며 공공이 발생하여 지르코니아 소결체의 기계적 물성을 저하시키기 때문이다.
따라서 공침법을 통한 YSZ 분말 합성 시 pH 조절, 세척 과정 등을 잘 관리하여 균일하고 안정적인 분말을 얻을 수 있다.
2.3. 하소 온도에 따른 상변이
9YSZ는 상태도 상에서 500℃ 이상으로 하소할 경우 cubic 상이 형성된다. 그 이상의 온도에서는 상의 변화가 없으며 결정구조와 입자 크기만 변화한다.
하소 온도가 너무 낮으면 적절한 상변이를 발생시킬 수 없다. 반면 하소 온도가 높을 경우에는 결정립 조대화가 일어나 계면 에너지가 줄어들고 추후에 소결 시의 구동력이 감소하여 소결 후 밀도가 감소하고 기공을 형성할 수 있다.
또한 하소 시간이 너무 길면 over-aging 효과로 결정립이나 석출상이 조대화되는 등의 열화가 발생할 수 있으며, 하소 시간이 짧으면 열역학적으로 안정한 상으로의 충분한 상변이가 일어나지 못할 수 있다.
승온 조건의 경우 속도가 너무 빠르면 온도가 내부까지 충분히 전달되지 못해 시료의 내부와 외부의 온도 차이가 발생할 수 있다. 이 경우 조직의...
참고 자료
재료 공학 실험 강의 자료
세라믹스 화학 교재
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