보라색 세라믹의 제조 및 기계적 성질에 관한 연구

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 8755(2023) 이 기사 인용

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이 기사에 대한 저자 수정 사항은 2023년 7월 27일에 게시되었습니다.

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본 논문은 지르코네이트 네오디뮴을 발색제로 사용한 후 시중에 나와 있는 보라색 스마트 웨어의 색상 요구 사항을 충족하는 스마트 웨어러블 보라색 세라믹을 제조하는 것을 목표로 한다. 그러나 지르코네이트 네오디뮴 보라색 세라믹의 기계적 성능은 만족스럽지 못하며, 특히 파괴인성이 매우 낮습니다. 이를 해결하기 위해 다상 세라믹 제조 시 지르코네이트 네오디뮴에 3mol% 이트리아 안정화 지르코니아(3YSZ)를 첨가하여 기계적 특성을 향상시킵니다. 이 실험에서는 1400~1500°C 소결 온도 범위에서 3YSZ 0, 20, 40, 50, 60, 70 및 80%의 양을 증가시키는 일련의 세라믹 샘플을 준비했습니다. 동일한 온도에서 3YSZ 함량이 증가함에 따라 세라믹 샘플의 기계적 특성이 점차 향상되는 것으로 나타났습니다. 또한, 동일한 함량에서 세라믹 샘플의 기계적 특성은 온도가 감소함에 따라 점차 향상되었습니다. 결과는 3YSZ의 질량 분율이 80%이고 1400°C에서 소결될 때 준비된 세라믹 샘플의 파괴 인성이 8.15 MPa·m1/2에 도달함을 보여 주며 이는 모놀리식 네오디뮴 지르콘산염보다 거의 2배 더 높습니다. 2.57MPa·m1/2. 준비된 세라믹 샘플의 비커스 경도는 12.93 GPa에 이르렀으며 이는 도핑되지 않은 네오디뮴 지르콘산염보다 거의 88% 더 높습니다. 이는 샘플이 지르콘 세라믹의 강화 엔지니어링에 대한 실질적인 중요성을 갖고 휴대폰 백플레인과 같은 스마트 웨어러블에 적용될 수 있음을 나타냅니다.

유색 세라믹은 과학과 정보기술의 급속한 발전으로 다양한 산업분야에서 널리 사용되고 있습니다. 유색 세라믹은 색상이 밝고 금속 질감이 좋으며 신호 간섭 특성이 주로 낮기 때문에 휴대폰 백플레인, 시계 반지 등 스마트 웨어러블에 점점 더 많이 사용되기 시작했습니다. 그러나 취성은 이러한 세라믹, 특히 네오디뮴 지르콘산염 세라믹의 주요 약점입니다. 따라서 기계적 특성, 특히 세라믹의 파괴인성을 개선하는 것이 최우선 과제가 되었습니다. Matsumura 등1은 하이덴진 방법을 사용하여 La2Zr2O7 세라믹 재료를 준비하고 파괴 인성과 굽힘 강도가 각각 1.9 MPam1/2 및 172 MPa에 도달하는 것을 측정했습니다. Lee 등2은 복합 세라믹을 제조하기 위해 지르콘산 가돌리늄에 산화 이트륨을 첨가하였고 비커스 경도가 6에서 10 GPa로 증가한다는 것을 발견했습니다. Yu Zhang 등3은 지르콘산 가돌리늄으로 이테르븀 산화물 안정화 지르코니아를 도핑하여 재료의 파괴 인성을 크게 향상시켰습니다.

지르코니아는 상 변화 강화 특성을 가지고 있습니다. 따라서 마르텐사이트 상 변화는 주요 특징 중 하나입니다. 따라서 일반적으로 세라믹 재료의 파괴 인성을 향상시키는 데 사용됩니다4. 지르코니아는 광범위하게 연구되어 왔으며 지르코니아 세라믹에 대한 연구는 여전히 핫스팟으로 남아 있습니다. 지르코니아 세라믹은 항공우주, 전자, 야금, 통신 등 다양한 산업 분야에서 점점 더 널리 사용되고 있습니다5. 이트륨 이산화물은 대부분의 지르코니아에 첨가됩니다. 특히, 지르코니아에 6~8 mol% Y2O3를 첨가하여 큐빅상을 얻고, 3~6 mol% 이트륨을 지르코니아에 첨가하여 부분적으로 안정화된 지르코니아를 얻는다. 완전 안정 지르코니아는 이온 전도성이 높고, 부분 안정화 지르코니아는 상온 및 고온에서 우수한 기계적 특성을 갖습니다6.

많은 전이금속은 화합물에서 하나의 원자가 상태만 갖는 것이 아니라 여러 원자가 상태로 공존합니다. Fujimori7는 이 현상을 혼합 원자가 상태 이론이라고 불렀습니다. 이는 결정에 점결함이 존재하기 때문에 결정이 특별한 자기적, 광학적, 전기적 특성을 갖게 되는 것입니다. 현재 시중에는 지르코니아에 삼산화철을 첨가해 붉은색을 내는 레드 지르코니아 세라믹이 나와 있다8. 보라색 세라믹은 지르코니아에 산화 네오디뮴이나 지르콘산 네오디뮴을 첨가하여 제조됩니다9. 하늘색 세라믹은 지르코니아10에 산화니켈과 산화알루미나를 첨가하여 제조됩니다. 그린 세라믹은 지르코니아에 일정량의 산화니켈, 산화알루미나, 산화크롬, 산화규소를 첨가하여 제조됩니다11. 이들 시장에서 준비된 컬러 세라믹은 주로 휴대폰 백플레인, 시계 반지 등과 같은 장식 및 스마트 웨어러블 분야에서 광범위한 응용 분야를 가지고 있습니다12,13.