서멧
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1. 개요
서멧은 금속과 세라믹을 결합한 복합 재료로, 제2차 세계 대전 중 독일에서 합금 대체재로 개발되었다. 미국 공군이 이 기술의 잠재력을 인식하고 연구를 지원했으며, '서멧'이라는 용어를 만들었다. 초기에는 산화마그네슘, 산화 베릴륨, 산화 알루미늄 등을 사용했으며, 이후 질화 규소와 탄화 규소 기반 서멧이 개발되어 내열 충격성, 강도, 열전도율이 향상되었다. 서멧은 진공관, 기계적 밀봉, 생체 재료, 브레이크, 전기 히터, 절삭 공구, 방어 갑옷 등 다양한 분야에 응용되며, 핵 폐기물 저장 및 원자력 기술에도 활용된다. 대한민국에서도 1970년대부터 관련 연구가 시작되어 핵심 소재 기술을 확보했다.
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| 서멧 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
| 종류 | 복합 재료 |
| 구성 성분 | 세라믹 금속 |
| 특성 | 고온 강도 내마모성 내식성 |
| 조성 및 제조 | |
| 제조 방법 | 소결 용침 스프레이 코팅 |
| 일반적인 세라믹 상 | |
| 일반적인 금속 상 | |
| 응용 분야 | |
| 절삭 공구 | 드릴 비트 선반 공구 |
| 내마모 부품 | 씰 베어링 |
| 고온 부품 | 제트 엔진 로켓 엔진 |
| 생체 재료 | 치과 임플란트 인공 관절 |
| 기타 | 핵연료 브레이크 패드 |
| 장점 | |
| 단점 | |
2. 역사
제2차 세계 대전 중 독일 과학자들은 합금을 대체하기 위해 산화물 기반 서멧을 개발했다.[4] 이들은 이 재료를 새로운 제트 엔진의 고온 부품과 고온 터빈 블레이드에 사용할 수 있다고 생각했다. 전쟁 이후, 미국 공군은 이 재료 기술의 잠재력을 보고 오하이오 주립 대학교, 일리노이 대학교, 러트거스 대학교 등과 함께 연구를 진행하였다.
서멧이라는 단어는 미국 공군에 의해 만들어졌으며, 금속과 세라믹의 조합이라는 아이디어에서 비롯되었다.
개발된 최초의 세라믹 금속 재료는 세라믹 부분에 산화 마그네슘 (MgO), 산화 베릴륨 (BeO), 산화 알루미늄(Al2O3)을 사용했다.[4] Kennametal은 최초의 탄화 티타늄 서멧을 개발하여 제트 엔진 부품에 적용하려는 연구를 진행했다.
1950년대에는 제트 엔진 기술의 한계에 도달하며, 1960년대에는 질화 규소와 탄화 규소 기반 서멧이 주목받으며 내열 충격성, 강도, 열전도율 등이 향상되었다.
대한민국에서는 1970년대부터 서멧 관련 연구가 시작되어, 현재는 다양한 분야에서 활용되는 핵심 소재 기술을 확보하고 있다.
1966년 베크만 인스트루먼츠의 헬리팟 사업부에서 서멧 생산은 스테아타이트 성분 계량, 과립화, 칩 프레싱, 고온 소성, 서멧 스크리닝, 최종 소성, 전기 저항 확인, 최종 조립 단계를 거쳐 진행되었다.
2. 1. 서멧 생산 (1966년, 베크만 인스트루먼츠 헬리팟 사업부)
1966년 베크만 인스트루먼츠의 헬리팟 사업부에서 서멧 생산은 스테아타이트 성분 계량, 과립화, 칩 프레싱, 고온 소성, 서멧 스크리닝, 최종 소성, 전기 저항 확인, 최종 조립 단계를 거쳐 진행되었다.
3. 응용 분야
세라믹-금속 접합은 진공관 제작에 처음 광범위하게 사용되었다.[6] 독일 과학자들은 유리를 세라믹으로 대체하면 성능과 신뢰성이 향상된 진공관을 생산할 수 있다는 것을 인식했다. 세라믹 튜브는 더 높은 온도에서 가스를 제거할 수 있고, 고온 밀봉 덕분에 유리 튜브보다 더 높은 온도를 견딜 수 있으며, 기계적으로 더 강하고 열 충격에 덜 민감하다.[6] 오늘날 세라믹-금속 진공관 코팅은 태양열 온수 시스템의 핵심 요소로 활용된다.
세라믹-금속 기계적 밀봉은 연료 전지 및 화학, 핵 또는 열이온 에너지를 전기로 변환하는 장치에 사용된다.[6] 또한, 부식성 액체 금속 증기에서 작동하는 터빈 구동 발전기의 전기적 부분 절연에도 필요하다.[6]
생체 세라믹은 생체 의학 재료에서 광범위한 역할을 한다. 금속 임플란트의 얇은 층, 고분자 성분과의 복합체 또는 다공성 네트워크 형태로 존재할 수 있다. 이러한 재료는 비활성이며 흡수성 및 활성이기 때문에 신체 내에서 변하지 않고 유지될 수 있다. 또한 용해되어 생리적 과정에 적극적으로 참여할 수 있는데, 예를 들어 뼈 구조와 화학적으로 유사한 물질인 하이드록시아파타이트는 통합되어 뼈가 그 안으로 자라도록 돕는다.[7] 생체 세라믹에 사용되는 일반적인 재료로는 알루미나, 지르코니아, 인산칼슘, 유리 세라믹, 열분해 탄소가 있다.
생체 세라믹의 중요한 용도 중 하나는 고관절 치환술이다. 치환 고관절에 사용되는 재료는 일반적으로 티타늄과 같은 금속이었으며, 고관절 소켓은 일반적으로 플라스틱으로 덮여 있었다. 다축 볼은 강한 금속 볼이었지만 결국 더 오래 지속되는 세라믹 볼로 교체되었다. 이것은 인공 고관절 소켓의 플라스틱 안감에 대한 금속 벽과 관련된 거칠어짐을 줄였다. 세라믹 임플란트의 사용은 고관절 치환 부품의 수명을 연장했다.[7]
치과용 서멧은 충전재 및 보철물 재료로 치과학에서 사용된다.
세라믹 부품은 브레이크 및 클러치의 마찰재로 금속 부품과 함께 사용되어 왔다.[6]
세라믹 금속 복합재는 전기 저항 히터의 발열체로 사용된다.[8] 세라믹 금속 복합재 재료를 잉크 형태로 만들어 기판에 인쇄한 다음 열로 경화시키는 제작 기법을 통해 복잡한 모양의 발열체를 제조할 수 있다.[8] 이러한 발열체는 온도 조절기 히터, 병 살균용 열원, 커피 카라페 워머, 오븐 제어용 히터, 레이저 프린터 퓨저 히터 등에 응용된다.[8]
미국 육군과 영국 육군은 서멧 개발에 대한 광범위한 연구를 진행해왔다. 여기에는 군인을 위한 경량 세라믹 발사체 방어 갑옷과 초밤 갑옷의 개발이 포함된다.
서멧은 절삭 가공의 절삭 공구에 사용된다. 주로 탄화 티타늄 (TiC)이나 탄질화 티타늄 (TiCN) 등의 티타늄 화합물을 니켈 (Ni) 또는 코발트 (Co)로 결합한 것이 많이 사용된다. 이러한 티타늄계 서멧은 초경합금에 비해 철과의 친화성이 낮아 강철의 마무리 절삭에 특히 유효하다. 그 외에, 경질 화합물로는 탄화 니오브 (NbC) 등도 사용된다.
서멧은 낚싯대의 고급 라인 가이드의 링 재료로도 사용된다.
우라늄, 플루토늄 등 핵분열성 물질과 소달라이트의 서멧은 핵 폐기물 저장에 이점을 제공하기 위해 연구되었다. 유사한 복합재는 핵반응기의 연료 형태로 사용하기 위해 연구되었으며, 원자력 열 로켓에도 사용될 수 있다.
나노 구조 서멧으로서, 이 재료는 태양열 흡수체/선택적 표면과 같은 광학 분야에서 사용된다.
3. 1. 세라믹-금속 접합 및 밀봉
세라믹-금속 접합은 진공관 제작에 처음 광범위하게 사용되었다.[6] 독일 과학자들은 유리를 세라믹으로 대체하면 성능과 신뢰성이 향상된 진공관을 생산할 수 있다는 것을 인식했다. 세라믹 튜브는 더 높은 온도에서 가스를 제거할 수 있고, 고온 밀봉 덕분에 유리 튜브보다 더 높은 온도를 견딜 수 있으며, 기계적으로 더 강하고 열 충격에 덜 민감하다.[6] 오늘날 세라믹-금속 진공관 코팅은 태양열 온수 시스템의 핵심 요소로 활용된다.세라믹-금속 기계적 밀봉은 연료 전지 및 화학, 핵 또는 열이온 에너지를 전기로 변환하는 장치에 사용된다.[6] 또한, 부식성 액체 금속 증기에서 작동하는 터빈 구동 발전기의 전기적 부분 절연에도 필요하다.[6]
3. 2. 생체 세라믹
생체 세라믹은 생체 의학 재료에서 광범위한 역할을 한다. 금속 임플란트의 얇은 층, 고분자 성분과의 복합체 또는 다공성 네트워크 형태로 존재할 수 있다. 이러한 재료는 비활성이며 흡수성 및 활성이기 때문에 신체 내에서 변하지 않고 유지될 수 있다. 또한 용해되어 생리적 과정에 적극적으로 참여할 수 있는데, 예를 들어 뼈 구조와 화학적으로 유사한 물질인 하이드록시아파타이트는 통합되어 뼈가 그 안으로 자라도록 돕는다.[7] 생체 세라믹에 사용되는 일반적인 재료로는 알루미나, 지르코니아, 인산칼슘, 유리 세라믹, 열분해 탄소가 있다.생체 세라믹의 중요한 용도 중 하나는 고관절 치환술이다. 치환 고관절에 사용되는 재료는 일반적으로 티타늄과 같은 금속이었으며, 고관절 소켓은 일반적으로 플라스틱으로 덮여 있었다. 다축 볼은 강한 금속 볼이었지만 결국 더 오래 지속되는 세라믹 볼로 교체되었다. 이것은 인공 고관절 소켓의 플라스틱 안감에 대한 금속 벽과 관련된 거칠어짐을 줄였다. 세라믹 임플란트의 사용은 고관절 치환 부품의 수명을 연장했다.[7]
치과용 서멧은 충전재 및 보철물 재료로 치과학에서 사용된다.
3. 3. 운송
세라믹 부품은 브레이크 및 클러치의 마찰재로 금속 부품과 함께 사용되어 왔다.[6]3. 4. 전기 히터
세라믹 금속 복합재는 전기 저항 히터의 발열체로 사용된다.[8] 세라믹 금속 복합재 재료를 잉크 형태로 만들어 기판에 인쇄한 다음 열로 경화시키는 제작 기법을 통해 복잡한 모양의 발열체를 제조할 수 있다.[8] 이러한 발열체는 온도 조절기 히터, 병 살균용 열원, 커피 카라페 워머, 오븐 제어용 히터, 레이저 프린터 퓨저 히터 등에 응용된다.[8]3. 5. 기타 응용 분야
미국 육군과 영국 육군은 서멧 개발에 대한 광범위한 연구를 진행해왔다. 여기에는 군인을 위한 경량 세라믹 발사체 방어 갑옷과 초밤 갑옷의 개발이 포함된다.서멧은 절삭 가공의 절삭 공구에 사용된다. 주로 탄화 티타늄 (TiC)이나 탄질화 티타늄 (TiCN) 등의 티타늄 화합물을 니켈 (Ni) 또는 코발트 (Co)로 결합한 것이 많이 사용된다. 이러한 티타늄계 서멧은 초경합금에 비해 철과의 친화성이 낮아 강철의 마무리 절삭에 특히 유효하다. 그 외에, 경질 화합물로는 탄화 니오브 (NbC) 등도 사용된다.
서멧은 낚싯대의 고급 라인 가이드의 링 재료로도 사용된다.
우라늄, 플루토늄 등 핵분열성 물질과 소달라이트의 서멧은 핵 폐기물 저장에 이점을 제공하기 위해 연구되었다. 유사한 복합재는 핵반응기의 연료 형태로 사용하기 위해 연구되었으며, 원자력 열 로켓에도 사용될 수 있다.
나노 구조 서멧으로서, 이 재료는 태양열 흡수체/선택적 표면과 같은 광학 분야에서 사용된다.
4. 대한민국의 서멧 기술
참조
[1]
논문
Compressive performance and crack propagation in Al alloy/Ti2AlC composites
[2]
논문
Preparation of TiAl/Ti2AlC composites with Ti/Al/C powders by in-situ hot pressing.
[3]
서적
Cermets.
Reinhold Publishing Corporation
[4]
웹사이트
Creep and Stress Rupture
http://www.materials[...]
Metallurgical Concepts
2006-12-12
[5]
논문
The making of a cermet trimmer
Beckman Instruments
1966
[6]
간행물
Joining Ceramics and Graphite to Other Materials, A Report.
Office of Technology Utilization National Aeronautics and Space Administration
[7]
웹사이트
Medical Equipment Designer - Application Ideas: Hybrid Hip Joint and Polycarbonate Liver
http://www.manufactu[...]
Design Fax Online
2006-12-07
[8]
논문
Printed thick film heaters
1995-09
[9]
웹사이트
http://scitation.aip[...]
[10]
웹사이트
Silicon carbide and uranium oxide based composite fuel preparation using polumer infiltration and pyrolysis
http://e-archive.lib[...]
2007-10-11
[11]
서적
Cermets.
Reinhold Publishing Corporation
[12]
저널
The making of a cermet trimmer
Beckman Instruments
1966
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