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지르코니아는 오래 전부터 우수한 내열성, 단열성, 내식성이 알려져 반세기 전부터 유리용융용, 제철제강용 등의 내화물로서 쓰여지고 있다.
지르코니아( ZrO2)는 융점 2677℃밀도 5.6.㎤, Mohs 경도 7도이다. 호주, 인도, 브라질 등에서 산출하는 Zircon Sand 아 남미, 남아메리카에서 산출하는 Baddelite 광석 등에서 원료로서의 ZrO2가 정제 추출된다.
많은 파인 세라믹스 재료와 같이 ZrO2도 단독으로는 거의 사용되지 않는다. 이것은 순수한 ZrO2는 1100℃ 부근에서 결정형태가 정방정(Tetragonal Phase)에서 단사정 (Monoclinic Phase)으로 변하며 급격한 용적변화가 일어나 세라믹스에 균열이 생겨 자기파괴가 일어나기 때문에 치밀한 세라믹스를 만들 수 없다. 이러한 용적 변화를 일어나지 않게 하기 위해 안정화제로서 CaO, MgO, Y2, O3 등이 첨가된다.
이렇게 하면 실온에서의 결정형태가 입방정(Cubic Phase)이 되어 고온까지 결정형태의 변화 없이 거의 직선적인 열팽창을 나타내므로 안정화 지르코니아라 한다.
이러한 안정화를 위한 첨가물의 Ca2+, Mg2+, Y3+는 Zr4+와 원자가 다르기 때문에 결정격자 내에 산소이온의 빈자리가 생겨 산소이온의 전도체 즉 고체전해질이 되는 것이다.
부분안정화 지르코니아(Psz, Partially Stabilzite)는 지르코니아의 정방정↔단사정의 마르텐사이트(Martensite)적인 변태가 지르코이아를 파괴할 때에 그 파괴에너지를 흡수하는 작용을 하게된다. 이렇게 되면 취약한 세라믹스에 대하여 균열이 잘 일어나지 않고 인성이 높은 세라믹스를 얻게 된다.
즉, 파괴가 진정되는 것을 에너지의 흡수로 억제하는 효과가 생기게 되는 것이다. 이것을 Stress Lnduced Transformation이라 하며, 고인성 세라믹스의 구조재료로 널리 사용되게 하였다.
PSZdml rntjddms Cao나 Y2O3을 첨가하여 안정된 입방정 지르코니아를 고온에서 일부안정화되고 있는 것이다. Ca(Y)의 고용체는 (Zr, Ca(Y))O2-x로 표시되며 O결함격자가 만들어지기 때문에 O2- 이온의 이동이 생기기 쉬워진다. 고체전해질의 특성을 표시하기 위하여 산소센서에 이용되고, 또한 구조재료로서 인성이 높은 세라믹 부품으로의 이용이 확대되고 있다. 현재 각종 Cutter, 세라믹 가위, 공업용절단기, 볼, 절삭공구 등에 적극 활용되고 있다.
Properties Unit ZTA TTZ YTZP
밀도
Density
gm/cc 4.05 5.72 6.02
흡수율
Water Absorption
% 0 0 0
굽힘강도(20℃)
Flexural Strength
MPa(psi x 10³) 450(65) 620(90) 900(130)
인장강도(20℃)
Compressive Strength
MPa(psi x 10³) 290(42) 352(51) -
압축강도(20℃)
Compressive Strength
MPa(psi x 10³) 2900(421) 1750(254) 2500(363)
열팽창계수(25-100℃)
Coef. of Thermal Expansion
1x10-5/℃ 8.3 10.1 10.3
열전도율(20℃)
Thermal Conductivity
W/m° K 27.0 2.2 2.2
체적고유저항(25℃)
Volume Resistivity
ohm-cm >1014 >1013 >1013
최고사용온도
Max. Use Temperature
1500 500 1500
유전상수(1MHZ)
D ielectric Constant
25℃ 10.6 28.0 29.0
유전손실(1MHZ)
D ielectric Loss
25℃ 0.0005 0.0010 0.0010
내마모성 Impingement - 0.41 0.63 0.20
내마모성 Rubbing - 0.49 0.57 0.20
 
 
 
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