[스크랩] 균열을 자기 수복하는 세라믹스

 
균열을 자기 수복하는 세라믹스
장수명과 뛰어난 기계적 특성을 유지하는 용수철재로서의 활용에

[2007/01/24]

　재료 자신이 균열을 자기 수복해 뛰어난 기계적 특성을 오래 지속할 수 있다 라고 하는 새로운 세라믹스재를 요코하마 국립대학 공학 연구원 에너지 기기 재료 연구실이 개발했다. 이 자기 수복 능력은 고온이 되면 될수록 바깥 공기와의 산화 반응이 보다 활발해져 촉진된다. 따라서  “사용 환경이1000 ℃를 넘는 고온도역이거나 점검이나 교환하기 어려운 듯한 장소에서 높은 기계적 특성을 유지하는 것이 필요하게 되는 용도에 매우 적합하다. ”라고 동연구실의 타카하시 히로하루씨는 말한다. (표 참조)

표 1：세라믹스 재료의 주요한 기계 특성 비교

	종래의 질화 규소에 의한 세라믹스재	이번 요코하마 국립대학 개발의 무라이트/탄화 규소 멀티 복합 세라믹스재
자기균열 수복 능력	거의 없다	있다
고온 내산화성	분위기, 온도에 의해서 약하다	매우 뛰어나다
굴곡강도(실온)	600MPa	900MPa
굴곡강도(1200 ℃)	300MPa	600MPa
영율	300GPa (고탄성율)	250GPa (저탄성률)

(타카하시 연구팀 작성 자료에서)

가스타빈의 용수철재에 응용 가능
　연구팀이 이번 개발한 세라믹스의 상정 용도의 하나는 가스타빈등의 지지 용수철이다. 근년의 에너지 소비 증가나 원료가 되는 석유가격 상승의 대책으로서 고온형 연료 전지나 가스타빈의 에너지 효율을 더욱 향상하는 것이 기대되고 있다. 그 결과, 보다 고온도역에서의 운전으로 효율을 향상하는 것이 요구되고 있다. 가스타빈등의 산업용 용수철에 요구되는 것은 높은 굴곡강도나 신축성, 내열성이나 내식성이다. 일반의 금속제 용수철은 금속 자체의 특성으로서600 ℃를 넘는 온도역이 되면 굴곡강도 파괴 하중등이 현저한 저하를 부른다. 내식성에도 뒤떨어진다. 근년 개발되고 있는 질화 규소에 의한 세라믹스제 용수철의 경우는 고온도역에서의 내식성에 어려움이 있다. 또 진동에 대한 손상을 받기 쉽다. 따라서 가스타빈용 등에 이용하는 경우는 용수철 수명이 짧아져, 그 교환을 빈번히 할 필요가 있다. 이러한 교환에 의한 조업정지의 경제적인 손실은 “매우 큰 것이 아닌가”라고 타카하시씨는 말한다. 이번 개발한 세라믹스는 이러한 과제에 응할 수 있는 것이라고 타카하시씨는 의욕을 보인다.

자기 수복의 메카니즘
　자기 수복의 현상은 세라믹스 표면에 균열이 발생했을 때, 균열 내부에 침입해 온 산소가 거기에 존재하고 있는 탄화 규소(SiC)의 미립자나 위스커등으로 반응해 산화 규소(SiO2)를 생성, 그 산화 규소가 균열내에 서서히 퇴적하고 공간을 메워 균열을 접합함으로서 일어난다(그림 1). 굴곡강도를70 %정도 저하시키는0.1mm 의 표면균열을 비커스 압흔으로 붙여1200 ℃대기압하에서 열처리를 실시한 연구팀의 실험에서는 실험 개시 후70 분에 표면균열의 수복의 징조를 볼 수 있어120 분후에는 광학 현미경으로 확인이 어려울만큼 자기 수복하고 있다(그림 2). 이 메카니즘은 신 에너지·산업기술 종합 개발 기구(NEDO 기술개발 기구)의 조성을 받아 해명해 온 것이다.

그림 1：자기균열 수복의 메카니즘


그림 2：균열의 자기 수복 과정

비커스 압흔으로 붙였다0.1mm 정도의 표면균열을1200 ℃대기압하에서 열처리 해 광학 현미경으로 촬영. 실험 개시 후70 분으로 균열의 자기 수복의 징조를 볼 수 있었다.120 분후에는 표면균열을 거의 확인할 수 없게 되기까지 수복하고 있다.

　동연구팀에서는 용수철 성형 기술에 실적이 있는 기업과의 의견교환, 공동 연구를 통해서 이 무라이트/탄화 규소 복합 세라믹스재를 이용한 용수철의 형상의 검토, 성형 방법에 관한 개발을 진행시켜 나가, “실용화에 접근해 가고 싶다”(타카하시씨)라고 말한다. 한편, 본재료의 응용으로서 기대할 수 있는 분야의 제조업자나 연구기관과의 의견교환을 통해서 여러가지 용도를 개척하는 것을 기대하고 있다.

 

출처 : 일본 아이템 정보

글쓴이 : 기꾸타 아끼라 원글보기

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