세라믹공학
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1. 개요
세라믹 공학은 도자기를 뜻하는 그리스어 '케라미코스'에서 유래되었으며, 세라믹 재료의 제조, 특성, 응용 분야를 연구하는 학문이다. 역사를 살펴보면, 코크스, 바이어 공정, 압전 효과 발견 등을 통해 발전해 왔으며, 제2차 세계 대전 이후 군사적 요구로 인해 고성능 재료 개발이 가속화되었다. 현재 세라믹 공학은 연간 수십억 달러 규모의 산업으로 성장했으며, 방탄복, 엔진 부품, 임플란트, 전자 부품 등 다양한 분야에 활용된다. 세라믹은 산화물, 비산화물, 복합체로 분류되며, 유리 세라믹과 같은 특수한 형태도 존재한다. 제조 공정은 분쇄, 배치, 혼합, 성형, 건조, 소결 단계를 거치며, 소결 과정에서 입자 성장과 치밀화가 일어난다. 세라믹의 강도는 미세 구조에 따라 달라지며, 파버-에반스 모델은 세라믹 매트릭스 내 미세 균열로 인한 파괴 인성 증가를 예측한다. 또한, 미세 구조적 균일성, 자기 조립, 세라믹 복합재, 생체 재료 등의 연구가 활발히 진행되고 있다. 한국, 일본 등에서 세라믹 공학 관련 교육이 이루어지고 있다.
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- 세라믹 - 내화물
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| 세라믹공학 | |
|---|---|
| 세라믹 공학 | |
 | |
| 유형 | 공학 |
| 하위 분야 | 재료 과학 화학 공학 기계 공학 |
| 세라믹 | |
| 주요 유형 | 점토 내화물 유리 시멘트 고급 세라믹 |
| 속성 | 높은 경도 낮은 연성 내열성 화학적 불활성 |
| 응용 분야 | |
| 주요 응용 분야 | 식기류 건축 자재 단열재 의료 기기 전자 제품 항공 우주 부품 |
| 식기류 | 컵, 접시, 그릇 |
| 건축 자재 | 벽돌, 타일, 파이프 |
| 단열재 | 섬유, 폼 |
| 의료 기기 | 임플란트, 치과용 재료 |
| 전자 제품 | 절연체, 반도체 |
| 항공 우주 부품 | 열차폐 시스템, 엔진 부품 |
| 처리 | |
| 주요 공정 | 분쇄 혼합 성형 소성 마감 |
| 분쇄 | 원료를 미세한 입자로 만드는 공정 |
| 혼합 | 여러 원료를 균일하게 혼합하는 공정 |
| 성형 | 혼합된 재료를 원하는 모양으로 만드는 공정 |
| 소성 | 높은 온도에서 재료를 구워 강도를 높이는 공정 (일반적으로 1500°C 이상) |
| 마감 | 표면 처리, 코팅 등 최종 제품의 품질을 향상시키는 공정 |
| 관련 학문 및 기술 | |
| 관련 학문 | 재료 과학 화학 공학 기계 공학 |
| 관련 기술 | 나노 기술 생체 재료 공학 |
| 기타 | |
| 추가 정보 | 세라믹은 고대부터 사용된 재료이며, 현대 기술에서 중요한 역할을 담당하고 있다. |
2. 역사
"세라믹"이라는 단어는 도자기를 의미하는 그리스어 "κεραμικός"(케라미코스)에서 유래되었으며, 이는 인도유럽어족 어근 "to burn"(태우다)과 관련이 있다.[2]
세라믹 공학 및 연구는 현재 연간 수십억 달러 규모의 산업으로 과학 분야에서 중요한 입지를 굳혔다.[1][5]
1709년, 에이브러햄 다비는 영국 슈롭셔에서 용광 공정의 수율을 개선하기 위해 처음으로 코크스를 사용했다. 코크스는 현재 탄화물 세라믹을 생산하는 데 널리 사용된다. 1759년, 도공 조시아 웨지우드는 영국 스토크온트렌트에 최초의 현대식 세라믹 공장을 열었다. 오스트리아 화학자 칼 요제프 바이어는 1888년 보크사이트 광석에서 알루미나를 분리하는 바이어 공정을 개발했다. 바이어 공정은 현재도 세라믹 및 알루미늄 산업을 위해 알루미나를 정제하는 데 사용된다. 1880년경, 피에르 퀴리와 자크 퀴리 형제는 로셸 염에서 압전 효과를 발견했다. 압전 효과는 전기 세라믹스의 핵심 특성 중 하나이다.
E.G. 에이치슨은 1893년 코크스와 점토의 혼합물을 가열하여 카보런덤, 즉 합성 탄화 규소를 발명했다. 앙리 모아상 또한 에이치슨과 거의 같은 시기에 파리의 전기 아크로에서 SiC와 탄화 텅스텐을 합성했다. 1923년, 칼 슈뢰터는 액상 소결을 사용하여 모아상의 탄화 텅스텐 입자를 코발트와 결합했다. 시멘트된(금속 결합된) 탄화물 절삭날은 경화강 절삭 공구의 내구성을 크게 향상시킨다. W.H. 네른스트는 1920년대 베를린에서 입방정 지르코니아를 개발했다. 이 재료는 배기 시스템의 산소 센서로 사용된다. 엔지니어링에서 세라믹 사용의 주요 제한 사항은 취약성이다.[1]
3. 현대 산업
4. 종류 및 응용 분야
세라믹공학은 그 종류에 따라 다양한 분야에 응용된다. 크게 고전 세라믹스, 정밀 세라믹스, 미래적 신소재로 분류할 수 있으며, 이들은 각각 다른 특성을 가지고 다양한 산업 분야에서 활용된다.
유리 세라믹 재료는 유리와 세라믹 모두와 많은 특성을 공유한다. 유리 세라믹은 비정질상과 하나 이상의 결정질상을 가지며, 이는 "제어된 결정화"에 의해 생성된다. 유리 세라믹은 종종 부피 기준으로 30% [m/m]에서 90% [m/m]에 이르는 결정질상을 포함하며, 흥미로운 열역학적 특성을 가진 다양한 재료를 생성한다.[5]
유리 세라믹 공정에서 용융된 유리는 재가열 및 어닐링 전에 서서히 냉각된다. 이 열처리 과정에서 유리는 부분적으로 결정화된다. 결정화 과정을 조절하고 제어하기 위해 '핵 생성제'가 첨가되기도 한다. 유리 세라믹은 소결 세라믹에 전형적으로 존재하는 기공을 포함하지 않는다.[1]
이 용어는 주로 리튬과 알루미노규산염의 혼합물을 지칭하며, 이는 흥미로운 열역학적 특성을 가진 다양한 재료를 생성한다. 이 중 가장 상업적으로 중요한 것은 열충격에 강하다는 것이다. 결정질 세라믹상의 음의 열팽창 계수(TEC)는 유리상의 양의 TEC와 균형을 이룰 수 있다. 특정 지점에서 유리 세라믹은 0에 가까운 순 TEC를 갖는다. 이러한 유형의 유리 세라믹은 우수한 기계적 특성을 나타내며 최대 1000 °C까지의 반복적이고 급격한 온도 변화를 견딜 수 있다.[1][5]
4. 1. 종류
세라믹공학의 종류는 크게 고전 세라믹스, 정밀 세라믹스, 미래적 신소재로 나눌 수 있다.- 고전 (전통적) 세라믹스: 시멘트, 유리, 도자기, 내화물 등을 포함한다.
- 정밀 (현대적) 세라믹스: 전자 세라믹스, 바이오 세라믹스, 구조재료 세라믹스 등을 포함한다.
- 미래적 신소재: 세라믹스 압전체, 세라믹스 가스터빈 엔진, 결정화 유리, 형상기억합금, 초전도체, 탄소 섬유 등을 포함한다.
4. 2. 응용 분야
세라믹 공학은 다양한 산업 분야에서 활용되며, 연구자들의 노력으로 새로운 종류의 세라믹이 개발되면서 그 응용 분야는 계속해서 확장되고 있다.[1][5]| 분야 | 응용 |
|---|---|
| 항공우주 | |
| 생체의학 | |
| 전자 | |
| 광학 | |
| 자동차 |
5. 유리 세라믹
유리 세라믹 재료는 유리와 세라믹 모두와 많은 특성을 공유한다. 유리 세라믹은 비정질상과 하나 이상의 결정질상을 가지며, 이는 일반적으로 유리 제조에서 피해야 하는 과정인 "제어된 결정화"에 의해 생성된다.[5] 유리 세라믹은 종종 부피 기준으로 30% [m/m]에서 90% [m/m]에 이르는 결정질상을 포함하며, 흥미로운 열역학적 특성을 가진 다양한 재료를 생성한다.[5]
유리 세라믹 공정에서 용융된 유리는 재가열 및 어닐링 전에 서서히 냉각된다. 이 열처리 과정에서 유리는 부분적으로 결정화된다. 많은 경우, 결정화 과정을 조절하고 제어하기 위해 '핵 생성제'가 첨가된다. 일반적으로 압착 및 소결이 이루어지지 않기 때문에, 유리 세라믹은 소결 세라믹에 전형적으로 존재하는 기공 부피 분율을 포함하지 않는다.[1]
이 용어는 주로 리튬과 알루미노규산염의 혼합물을 지칭하며, 이는 흥미로운 열역학적 특성을 가진 다양한 재료를 생성한다. 이 중 가장 상업적으로 중요한 것은 열충격에 강하다는 특징이다. 따라서 유리 세라믹은 조리대 조리에 매우 유용하게 사용된다. 결정질 세라믹상의 음의 열팽창 계수(TEC)는 유리상의 양의 TEC와 균형을 이룰 수 있다. 특정 지점(~70% 결정질)에서 유리 세라믹은 0에 가까운 순 TEC를 갖는다. 이러한 유형의 유리 세라믹은 우수한 기계적 특성을 나타내며 최대 1000 °C까지의 반복적이고 급격한 온도 변화를 견딜 수 있다.[1][5]
6. 제조 공정
전통적인 세라믹 제조 공정은 분쇄, 배치, 혼합, 성형, 건조, 소결, 조립 순서로 이루어진다.[24][11]
- 분쇄: 원재료의 크기를 줄이는 공정이다. 분쇄는 시멘트화된 물질을 분해하거나(개별 입자는 형태 유지), 입자 자체를 더 작은 크기로 갈아내는 과정을 포함한다. 기계적인 방법으로는 마찰, 압축, 충격 등이 사용된다. 마찰 분쇄 장비에는 습식 스크러버(행성 밀 또는 습식 마찰 밀)가 있고, 압축 밀에는 턱 분쇄기, 롤러 분쇄기, 원추형 분쇄기가 있다. 충격 밀에는 볼 밀 등이 있다.[14]
- 배치: 레시피에 따라 산화물을 계량하고 혼합 및 건조를 준비하는 과정이다.
- 혼합: 배치 후 건식 혼합은 리본 믹서(일종의 시멘트 믹서), ResonantAcoustic 믹서,[15] 뮬러 믹서, 퍼그 밀 등 다양한 기계로 수행된다. 습식 혼합도 같은 장비를 사용한다.
- 성형: 혼합된 재료를 다양한 형태로 만드는 과정이다. 압출, 프레스, 슬립 주조 등의 방법이 있다. 성형 후에는 건조할 "생 그린" 부품이 만들어지는데, 이 부품은 부드럽고 유연하여 시간이 지나면 형태를 잃는다.
- 건조: 성형된 재료에서 물이나 바인더를 제거하는 과정이다. 분무 건조는 프레스 작업을 위한 분말을 준비하는 데 널리 사용된다. 터널 건조기 및 주기적 건조기도 사용된다. 건조된 부품은 생 그린 부품보다 작고 깨지기 쉽다.
- 소결: 건조된 부품을 제어된 가열 과정을 거쳐 산화물을 화학적으로 변화시켜 결합 및 치밀화시키는 과정이다. 소성된 부품은 건조된 부품보다 작아진다.
세라믹 성형 기술에는 물레 성형, 슬립 캐스팅, 테이프 캐스팅, 동결 캐스팅, 사출 성형, 건식 압착, 등방 압착, 열간 등방 압착(HIP), 3D 프린팅 등이 있다.[24] 이러한 기술은 열 엔진 부품, 터빈 같은 고온 구조 부품을 만드는 데 사용된다.[24]
이러한 성형 기술은 치수 안정성, 표면 품질, 높은 밀도, 미세 구조적 균일성을 가진 부품을 제공한다.[24] 특수 세라믹 형태의 사용과 다양성이 증가함에 따라 사용되는 공정 기술도 다양해지고 있다.[24]
응집된 분말 덩어리의 치밀화는 주로 소결로 이루어지지만, 핫 프레스에 의한 압력 소결도 사용이 증가하고 있다.[24]
7. 소결
소결 기반 방법의 원리는 간단하다. 소성은 세라믹의 용융점보다 낮은 온도에서 수행된다. 소결 과정에서 원자 및 분자 확산 과정이 주요 미세 구조적 특징에 상당한 변화를 가져온다. 여기에는 기공의 점진적인 제거, 순수 수축, 전반적인 구성 요소의 치밀화가 동반된다. 따라서 물체의 기공이 닫힐 수 있으며, 이는 강도와 파괴 인성이 현저히 높은 더 조밀한 제품을 생성한다.
소결 과정에서 상당한 입자 성장이 발생하는 경향이 있으며, 이는 소결 과정의 온도 및 지속 시간에 따라 달라진다. 이상 입자 성장은 얻어진 세라믹의 물리적 및 기계적 특성을 현저하게 변경한다.[17]
8. 세라믹의 강도
재료의 강도는 미세 구조에 따라 달라진다. 재료가 겪는 엔지니어링 공정은 미세 구조를 변경할 수 있다. 재료의 강도를 변화시키는 다양한 강화 메커니즘에는 결정립계 강화 메커니즘이 포함된다. 따라서 항복 강도는 결정립 크기가 감소함에 따라 최대화되지만, 궁극적으로 매우 작은 결정립 크기는 재료를 취성으로 만든다. 항복 강도는 재료의 소성 변형을 예측하는 매개변수라는 점을 고려하면, 미세 구조적 특성과 원하는 최종 효과에 따라 재료의 강도를 높이는 방법에 대한 정보를 바탕으로 의사 결정을 내릴 수 있다.
항복 응력과 결정립 크기의 관계는 Hall-Petch 방정식으로 수학적으로 설명된다.
:σy = σ0 + ky / √d|σy = σ0 + ky / √d영어
여기서 ''ky''는 강화 계수(각 재료에 고유한 상수), ''σo''는 전위 이동에 대한 시작 응력(또는 격자의 전위 이동 저항)에 대한 재료 상수, ''d''는 결정립 직경, ''σy''는 항복 응력이다.
이론적으로는 결정립을 무한히 작게 만들면 재료를 무한히 강하게 만들 수 있다. 하지만 이는 불가능하다. 결정립 크기의 하한은 재료의 단일 단위 세포이기 때문이다. 설령 그렇다 하더라도 재료의 결정립 크기가 단일 단위 세포 크기라면 장거리 규칙성이 없으므로 해당 재료는 실제로 결정질이 아닌 비정질이며, 비정질 재료에서는 전위를 정의할 수 없다. 실험적으로 가장 높은 항복 강도를 갖는 미세 구조는 약 10nm의 결정립 크기인 것으로 관찰되었다. 이보다 작은 결정립은 또 다른 항복 메커니즘인 결정립계 슬라이딩을 겪기 때문이다.[18] 이러한 이상적인 결정립 크기를 가진 엔지니어링 재료를 생산하는 것은 나노 재료 및 나노 기술에 내재된 초기 입자 크기의 제한으로 인해 어렵다.
9. Faber-Evans 모델
파버-에반스 모델은 캐서린 파버와 앤서니 G. 에반스가 개발했으며, 매트릭스 내에서 미세 균열이 발생하기 쉬운 2차 상 입자 주변의 균열 굴절로 인한 세라믹의 파괴 인성 증가를 예측한다.[19] 이 모델은 입자 형태, 종횡비, 간격, 2차 상의 부피 분율뿐만 아니라 균열 선단에서 국부 응력 강도 감소를 고려한다.
평균 변형 에너지 방출률을 계산하고, 평탄한 균열이 평면 매트릭스를 통과할 때의 파괴 인성 증가량과 비교한다. 인성 증가는 적절한 크기의 입자의 좁은 크기 분포에서 두드러지게 나타난다.[20]
인성 증가는 입자 모양과 2차 상의 부피 분율에 따라 달라지며, 가장 효과적인 형태는 높은 종횡비를 가진 막대 형태로, 파괴 인성을 4배 증가시킬 수 있다. 원반형 입자와 구는 인성 증가에 덜 효과적이다.[21]
0.2를 초과하는 부피 분율에서 세 가지 형태에 대한 점근적 인성 증가가 나타난다. 구형 입자에 의한 인성 증가에 대한 중요한 영향은 입자 간 간격 분포에 의해 나타나며, 구가 거의 접촉하여 비틀림 각도가 π/2에 가까워질 때 더 큰 인성 증가가 제공된다.
이상적인 2차 상은 10~20 부피 퍼센트의 양으로 존재해야 한다. 더 많은 양은 겹치는 입자로 인해 인성 증가를 감소시킬 수 있다. 특히 막대 모양의 형태를 가진 높은 종횡비의 입자가 최대 인성에 가장 적합하다. 이 모델은 향상된 성능을 가진 첨단 세라믹 재료 개발에 유용하며, 세라믹의 파괴 인성 증가에 기여하는 요소를 결정하는 데 자주 사용된다.[22][23]
10. 화학적 공정 이론
세라믹공학에서 화학적 공정은 재료의 미세 구조와 특성에 큰 영향을 미친다. 특히, 분말의 균일성은 최종 제품의 품질을 결정하는 중요한 요소이다.
화학적 공정에서 중요한 개념 중 하나는 자기 조립(자기 조립)이다. 자기 조립은 외부 힘 없이 입자(원자, 분자, 콜로이드, 미셀 등)들이 자발적으로 응집하여 규칙적인 구조를 형성하는 현상을 말한다. 이는 나노기술과 화학 합성 분야에서 새로운 물질을 개발하는 데 활용된다. 분자 자기 조립은 생물학적 시스템에서도 관찰되며, 다양한 복잡한 구조를 형성하는 데 기여한다. 분자 결정, 액정, 콜로이드, 미셀 등이 자기 조립을 통해 만들어지는 대표적인 예시이다.
Self-assembly영어은(는) 외부 힘의 개입 없이 입자(원자, 분자, 콜로이드, 미셀 등)가 자발적으로 응집하는 현상을 설명하기 위해 현대 과학계에서 가장 일반적으로 사용되는 용어이다. 이러한 입자의 큰 그룹은 열역학적으로 안정하고 구조적으로 잘 정의된 배열로 스스로 조립되는 것으로 알려져 있다.[34]
10. 1. 미세 구조적 균일성
미세 세라믹 가공에서 일반적인 분말은 불규칙한 입자 크기와 모양을 갖는다. 이는 분말 성형체 내에서 불균일한 포장 형태를 유발하여 포장 밀도 변화를 초래한다. 또한, 매력적인 반 데르 발스 힘에 의해 분말이 제어되지 않고 응집되면 미세 구조적 불균일성이 발생할 수 있다.[24][25]불균일한 건조 수축으로 인해 발생하는 차등 응력은 용매가 제거되는 속도와 직접적인 관련이 있으며, 이는 기공 분포에 크게 의존한다. 이러한 응력은 고형화된 몸체에서 소성에서 취성으로의 전이를 일으키며,[26] 응력이 완화되지 않으면 소성되지 않은 몸체에서 균열 전파를 유발할 수 있다.
또한, 가마에 넣기 위해 준비하는 동안 성형체 내의 포장 밀도 변동은 소결 과정에서 증폭되어 불균일한 치밀화를 초래하는 경우가 많다.[27][28] 밀도 변화와 관련된 일부 기공 및 기타 구조적 결정 결함은 성장하여 종점 밀도를 제한함으로써 소결 공정에 악영향을 미치는 것으로 나타났다.[29] 불균일한 치밀화로 인한 차등 응력은 내부 균열의 전파를 유발하여 강도 제어 결함이 된다.[30]
따라서 입자 크기 분포를 조절하여 그린 밀도를 최대화하는 것보다, 구성 요소와 기공의 분포를 균일하게 제어하여 재료를 처리하는 것이 바람직하다. 강하게 상호 작용하는 입자들의 균일하게 분산된 집합을 현탁액에 포함시키려면 입자 간 상호 작용을 완전히 제어해야 한다. 단분산 콜로이드는 이러한 제어 가능성을 제공한다.[31]
예를 들어, 콜로이드 실리카의 단분산 분말은 응집 결과로 생성되는 콜로이드 결정 또는 다결정 콜로이드 고체에서 높은 수준의 정렬을 보장할 수 있도록 충분히 안정화될 수 있다. 정렬 정도는 더 긴 범위의 상관 관계가 설정될 수 있는 시간과 공간에 의해 제한되는 것으로 보인다.[32][33]
10. 2. 자기 조립
자기 조립은 외부 힘의 영향 없이 입자(원자, 분자, 콜로이드, 미셀 등)들이 자발적으로 응집하는 현상을 설명하기 위해 현대 과학계에서 가장 일반적으로 사용되는 용어이다. 이러한 입자들의 큰 그룹은 열역학적으로 안정하고 구조적으로 잘 정의된 배열로 스스로 조립되는 것으로 알려져 있다.자기 조립은 화학 합성 및 나노기술 분야에서 새로운 전략으로 부상하고 있다. 분자 자기 조립은 다양한 생물학적 시스템에서 관찰되었으며, 광범위한 복잡한 생물학적 구조의 형성에 기여한다. 분자 결정, 액정, 콜로이드, 미셀, 에멀젼, 상 분리된 고분자, 박막 및 자기 조립 단분자막은 이러한 기술을 사용하여 얻을 수 있는 고도로 정렬된 구조의 예시이다. 이러한 방법의 특징은 외부 힘 없이 자기 조직화가 이루어진다는 것이다.
11. 세라믹 복합재
세라믹 복합재는 하나 이상의 비세라믹 성분으로 구성된 복합재이다. 모든 성분이 세라믹인 복합재에 가장 많은 관심이 쏠리고 있는데, 이러한 복합재는 일반적으로 두 가지 세라믹 성분, 즉 연속 매트릭스와 분산된 세라믹 입자, 휘스커(whisker) 또는 짧은 (잘린) 또는 연속 세라믹 섬유의 상으로 구성된다. 여기서 과제는 분산된 입자 또는 섬유 상의 균일하거나 균질한 분포를 얻는 것이다.[36][37]
입자 복합재의 공정에서 가장 관심 있는 입자상은 정방정 지르코니아인데, 이는 준안정 정방정에서 단사정 결정상으로의 상 변환, 즉 변환 강화로부터 얻을 수 있는 강화 때문이다. 또한 SiC, TiB, TiC, 붕소, 탄소 및 특히 알루미나 및 멀라이트와 같은 산화물 매트릭스와 같은 경질의 비산화물 상의 분산에 상당한 관심이 있다. Al2O3, TiO2, 흑연, 질화붕소와 같이 고도로 이방성인 열팽창을 갖는 다른 세라믹 입자를 통합하는 데도 관심이 있다.[36][37]
입자 복합재를 처리할 때 문제는 분산상 및 매트릭스 상의 크기와 공간 분포의 균일성뿐만 아니라 매트릭스 결정립 크기의 제어이다. 그러나 분산상에 의한 매트릭스 결정립 성장의 억제로 인해 일종의 자체 제어가 내장되어 있다. 입자 복합재는 일반적으로 손상, 파손 또는 둘 다에 대한 저항성이 증가하지만, 조성의 불균일성뿐만 아니라 기공과 같은 다른 공정 결함에도 여전히 매우 민감하다. 따라서 효과를 얻기 위해서는 적절한 공정이 필요하다.[1][5]
입자 복합재는 두 성분의 분말을 단순히 혼합하여 상업적으로 생산되었는데, 이러한 접근 방식은 달성할 수 있는 균일성에 본질적으로 한계가 있지만, 기존 세라믹 생산 기술에 가장 쉽게 적응할 수 있다. 그러나 다른 접근 방식도 관심의 대상이다.[1][5]
기술적인 관점에서 볼 때, 입자 복합재를 제작하는 특히 바람직한 접근 방식은 매트릭스 또는 그 전구체를 분산상의 미세 입자에 코팅하여 시작 분산 입자 크기와 그 결과 매트릭스 코팅 두께를 잘 제어하는 것이다. 이론적으로는 분포의 궁극적인 균일성을 달성하여 복합재 성능을 최적화할 수 있어야 한다. 이는 또한 열 전도성을 제한하는 등 다른 요인에 대해 바람직할 수 있는 기공을 갖는 몸체에서 더욱 유용한 복합재 성능을 달성할 수 있도록 하는 것과 같은 다른 파급 효과를 가질 수 있다.
세라믹, 입자, 휘스커 및 단섬유, 연속 섬유 복합재를 제작하기 위해 용융 공정을 활용할 수 있는 기회도 있다. 입자 및 휘스커 복합재는 용융물의 응고 후 고체 상태 침전에 의해 구상할 수 있다. 이는 또한 침전 강화, 부분적으로 안정화된 지르코니아의 경우와 같이 소결에 의해서도 얻을 수 있다. 세라믹 공정 혼합물을 방향성으로 응고하여 일축으로 정렬된 섬유 복합재를 얻을 수 있다는 것도 알려져 있다. 이러한 복합재 공정은 일반적으로 매우 단순한 형태로 제한되어 왔으며, 높은 가공 비용으로 인해 심각한 경제적 문제에 직면해 있다.[36][37]
용융 유래 입자를 사용하는 방법에서는 급냉을 고용액 또는 미세 공정 구조에서 수행한 다음, 입자를 더욱 일반적인 세라믹 분말 공정 방법으로 처리하여 유용한 본체를 형성한다. 또한 분산 입자, 휘스커 또는 섬유 상을 용융 분사 공정과 함께 도입하여 복합재를 형성하는 수단으로 용융 분사를 사용하려는 예비 시도가 있었다.
장섬유 보강재가 있는 세라믹 복합재를 제조하는 용융 침투 외의 다른 방법으로는 화학 기상 침투와 섬유 프리폼을 유기 전구체로 침투시키는 것이 있으며, 이는 열분해 후에 초기 밀도가 낮은 비정질 세라믹 매트릭스를 생성한다. 침투와 열분해를 반복하면 해당 유형의 세라믹 매트릭스 복합재 중 하나가 생산된다. 화학 기상 침투는 탄소 또는 탄화 규소 섬유로 강화된 탄소/탄소 및 탄화 규소를 제조하는 데 사용된다.
많은 공정 개선 외에도 섬유 복합재의 두 가지 주요 요구 사항 중 첫 번째는 섬유 비용을 낮추는 것이다. 두 번째 주요 요구 사항은 산화 조건에서 고온 복합재 노출로 인한 열화를 줄이기 위한 섬유 조성 또는 코팅 또는 복합재 공정이다.[36][37]
12. 생체 재료
규화는 박테리아, 단세포 유기체, 식물 및 동물에서 발생하는 매우 흔한 현상이다. 이러한 환경에서 형성된 결정성 광물은 뛰어난 물리적 특성을 보이며, 다양한 크기에서 미세 구조적 질서를 나타내는 계층적 구조를 형성한다. 광물 형성은 유기체의 세포벽 내부 또는 외부에서 발생할 수 있으며, 광물 침착에는 지질, 단백질, 탄수화물 등이 관여하는 생화학적 반응이 존재한다.[41]
대부분의 천연 재료는 복잡한 복합 재료이며, 구성하는 약한 성분들을 고려하면 그 기계적 특성은 매우 뛰어나다. 수억 년의 진화를 거친 이러한 복잡한 구조는 열악한 환경에서도 높은 성능을 발휘하며, 새로운 재료 설계에 영감을 준다. 현재 연구에서는 계층 구조, 다기능성, 자가 치유 능력과 같은 특징에 주목하고 있다.[41]
기본 구성 요소는 20개의 아미노산에서 시작하여 폴리펩티드, 다당류, 폴리펩티드-사카라이드로 이어진다. 이들은 대부분의 바이오미네랄에 공통적인 '연조직'의 주요 구성 요소인 기본 단백질을 구성한다. 현재 연구는 콜라겐, 키틴, 케라틴, 엘라스틴과 같은 단백질에 집중하고 있다. '경질' 상은 생물 매개 환경에서 핵 형성 및 성장을 하는 결정성 광물에 의해 강화되며, 주요 광물상은 하이드록시아파타이트, 실리카, 아라고나이트이다.[41]
전복 껍데기의 진주층은 재료 과학에서 집중적으로 연구되는 생물학적 구조 중 하나이다. 주사 전자 현미경(SEM) 관찰 결과, 진주층은 얇은 유기 시트로 분리된 깔끔하게 쌓인 광물 타일과 더 큰 주기적 성장 띠의 거시 구조를 가지고 있는 것으로 나타났다. 이러한 계층적 복합 구조는 껍데기에 높은 기계적 강도와 파괴 인성을 부여한다.[42]
13. 교육
한국에서는 요업(세라믹) 관련 교육 기관으로 전문대학 및 대학교가 있으며, 공업고등학교에서도 관련 학과를 운영하고 있다. 일본에서는 과거 요업고등학교가 있었으나, 현재는 아이치현립 세토공과고등학교로 통합되었다.[1] 전문학교로는 사가현립 아리타 요업대학교가 유일하다.[2]
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