지르코니아와 알루미나 세라믹의 내마모성 비교

소개

오늘날 엔지니어들은 높은 내마모성을 요구하는 응용 분야에 지르코니아와 알루미나 세라믹을 사용합니다. 그 이유는 무엇일까요? 바로 이 두 소재가 첨단 세라믹 산업에서 탁월한 연마재이기 때문입니다. 흥미롭게도, 두 소재는 유사한 특성을 가지고 있어 엔지니어, 제조업체, 그리고 일부 정형외과 의사들이 둘 중 더 나은 소재를 선택하기 어렵게 만듭니다. 이제 여러분은 "내마모성이 가장 뛰어난 세라믹은 무엇일까?"라고 궁금해하실 것입니다. 오늘의 글에서는 이 흔한 질문에 대한 답을 제공하고, 지르코니아와 알루미나가 내마모성이 뛰어난 주요 특성들을 소개합니다. 두 소재의 성능 기준과 차이점을 살펴보겠습니다. 바로 시작해 볼까요!

지르코니아 및 알루미나 세라믹의 내마모성

마찰로 인한 마모와 손상으로 인해 오늘날 많은 기업과 산업계는 마찰, 마모, 손상의 영향을 효과적으로 저항하거나 감소시키는 강력한 기능을 갖춘 기술 세라믹 소재를 찾고 있습니다. 지르코니아와 알루미나 세라믹은 매우 견고한 소재로 고강도 작업에도 견딜 수 있습니다. 지르코니아는 마모에 대한 저항성이 매우 강하여 장비의 수명과 성능 기준을 효과적으로 보존할 수 있습니다. 부피가 크지 않으면서도 쉽게 깨지지 않는 세라믹 소재를 상상해 보세요. 2,100°C에 달하는 극한의 온도에서도 균열을 일으키려면 엄격한 공정을 거쳐야 할 정도로 견고합니다. 고온에서 몇 시간 동안 쉬지 않고 작동하는 산업 기계 부품은 지속적인 마찰로 인해 마모될 위험이 있다는 데 동의하실 것입니다. 그렇다면 이러한 기계 부품을 코팅하거나 생산하는 데 지르코니아 외에 어떤 소재를 고려할 수 있을까요?

알루미나는 지르코니아와 유사한 특성을 가진 매우 단단한 소재입니다. 시중에서 지르코니아와 대등하게 경쟁할 수 있는 몇 안 되는 고급 세라믹 중 하나입니다. 실제로 모스 경도계에서 9라는 뛰어난 경도를 자랑하며, 내마모성 또한 뛰어납니다. 즉, 지르코니아처럼 견고한 기계 부품을 만드는 데 사용할 수 있습니다. 그러나 알루미나 세라믹은 지르코니아보다 열과 전기 전도성이 약간 더 우수하며, 둘 다 뛰어난 내마모성을 가지고 있습니다. 따라서 정형외과 의사, 병원에서 에나멜과 치과용 보철물을 다루는 치과 의사, 중장비, 자동차 부품, 전기 및 산업 장비를 생산하려는 엔지니어 또는 제조업체로서 이 중 어떤 소재를 선택하는 것이 가장 좋을까요? 쉽지 않은 선택이죠? 걱정하지 마세요. 다음 섹션에서 실제 사례를 통해 두 소재의 차이점을 살펴보겠습니다.

지르코니아 세라믹 vs 산화 알루미늄 세라믹

지르코니아(ZrO2) 세라믹

지르코니아는 매우 강한 결정질 세라믹 소재로, 산화 지르코니아(ZrO2)라고도 합니다. 지르코늄의 산화물로 형성되며, 자연적으로는 배들레이인 상아색 또는 황색을 띱니다. 지르코니아 제품은 높은 강도와 안정성, 극한의 고온, 균열, 기계적 응력 및 부식성 화학 물질에 대한 강한 저항성으로 세라믹 시장에서 최고의 연마재로 인정받고 있습니다. 매우 높은 밀도와 내마모성 덕분에 열악한 조건에서도 최상의 결과를 얻을 수 있습니다. 다양한 모양과 크기의 지르코니아 세라믹은 내화물, 베어링, 중장비 부품, 전자 제품, 자동차 및 항공우주 분야에 이상적인 부품입니다.

고온에 닿으면 다양한 형태로 변하기 때문에 이트리아(Yttria)와 세리아(Ceria)와 같은 안정제가 사용됩니다. 이는 지르코니아 강화 알루미나(ZTA), 마그네시아 안정화 지르코니아, 이트리아 안정화 지르코니아, 세리아 안정화 지르코니아와 같은 다양한 등급의 지르코니아가 존재하는 이유입니다. 지르코니아는 생체 적합성이 매우 뛰어나고, 쉽게 마모되지 않으며 체내 화학 물질과 부정적인 반응을 일으키지 않기 때문에 외과 의사와 정형외과 의사들이 뼈와 치아 관련 치료에 지르코니아를 사용하고 있습니다.

지르코니아는 매우 비싸고 구하기도, 생산하기도 쉽지 않음에도 불구하고 오늘날 높은 수요를 자랑하는 상용 제품으로 자리 잡았습니다. 특히 뛰어난 내마모성 덕분에 전 세계 판매량이 1조 4천억 원(TP4T9억 달러)을 돌파했습니다. 시장 전문가들은 현재 지르코니아의 연평균 성장률(CAGR)이 6조 1천억 원(TP3T)에 달할 것으로 전망하고 있습니다. 열소성, 염소 처리, 탄화, 수산화나트륨(NaOH) 또는 중탄산나트륨(NaCO3)을 이용한 약 2,800°C의 고온에서 자연적으로 발생하는 지르코니아를 분해하는 등 다양한 방법을 통해 지르코니아 세라믹을 생산할 수 있다고 해도 과언이 아닙니다. 아직 지르코니아 세라믹 생산에 관심이 없으시다면 저희 웹사이트에서 구매하실 수 있습니다. GGSCeramics. 저희는 여러분이 찾을 수 있는 최고의 지르코니아 제품을 공급하는 믿음직한 공급업체입니다.

지르코니아 세라믹의 특성

이제, 지르코니아(ZrO2)의 매력적이고 내마모성이 뛰어난 몇 가지 특성을 살펴보겠습니다.

• 10 MPa·√m의 견고한 파괴인성 등급을 가지고 있습니다.

• 비커스 경도는 1,220이고 모스 경도 척도는 8.5입니다.

• 20°C에서 굽힘 강도는 180MPa에서 1000MPa 사이입니다.

• 탄성계수는 약 250 GPA입니다.

• 녹는점은 1170°C에서 2,700°C 사이입니다.

• 매우 높은 압축 강도, 인성, 생체적합성을 가지고 있습니다.

• 밀도는 최대 6.2G/Cc입니다.

• 유전 강도는 약 300V/mil입니다.

• 700°C에 도달하면 체적 저항률은 5 x 10-3입니다.

• 20°C에서는 300MPa의 뛰어난 인장강도를 가지고 있습니다.

• 물 흡수율은 0%입니다.

• 높은 수준의 충격 저항성을 가지고 있으며 열전도도 3.5W/mk.

지르코니아 세라믹의 산업적 응용

지르코니아 세라믹 제품을 사용할 수 있는 이상적인 사례는 다음과 같습니다.

• 법랑질과 뼈 생산의 의학 분야

• 높은 응력과 강렬한 작업 온도 또는 환경이 수반되는 기계 공학 응용 분야

• 볼 베어링 및 중장비 링 생산

• 전자부품 생산

• 항공우주 응용 분야

• 특히 지르코니아 강화 알루미나 등급 유형을 사용하여 분쇄 용기, 매체 또는 모르타르를 생산합니다.

• 밸브, 펌프 및 분석 장비의 기타 구조용 세라믹 부품 생산

알루미나(Al2O3) 세라믹

알루미나 세라믹은 산화알루미늄(Al₂O₃) 세라믹이라고도 하며, 알루미늄과 산소를 사용하여 산업적으로 제조됩니다. 알루미나는 백색 또는 때로는 분홍빛을 띠는 결정질 화합물로, 상업적으로는 코런덤(Corundum)이라고 불리지만, 주로 천연 형태인 보크사이트(Bauxite)를 사용하여 생산할 수도 있습니다. 지르코니아와 마찬가지로 알루미나도 매우 광택이 뛰어나고 내마모성이 뛰어난 기술 세라믹입니다. 지르코니아보다 저렴한 대안으로, 다양한 화학적 및 전기적 특성을 지니고 있어 다양한 산업 분야에 활용됩니다. 흥미로운 점은 생산 공정에 첨가제를 사용하면 이러한 특성을 더욱 향상시킬 수 있다는 것입니다. 슬립 캐스팅, 다이아몬드 가공, 등방성 프레스, 사출 성형 등 다양한 생산 공정이 있습니다.

알루미나 세라믹은 고순도 알루미늄을 사용하여 제조되므로 부식, 마모 및 인열에 대한 저항성이 뛰어납니다. 즉, 순수 알루미나 함량이 높을수록 내마모성과 열전도도가 향상됩니다. 한편, 알루미나 세라믹에는 수화 알루미나, 소성 알루미나, 판상 알루미나 등 다양한 등급이 있으며, 이러한 등급은 모두 제조업체에서 사용하는 산화알루미나 함량, 다양한 성분 및 첨가제에 따라 결정됩니다.

알루미나 세라믹은 여러 가지 뛰어난 특성 덕분에 세계 세라믹 시장에서 큰 인기를 얻고 있습니다. 그중 몇 가지를 소개합니다.

• 파괴인성 4.5MPa·√m

• 400 GPa의 탄성계수

• 최대 2,000°C의 온도를 견딜 수 있는 능력

• 밀도 3.965g/cm3

• 약 3,500MPa의 매우 높은 압축 강도

• 고온에서도 강산이나 알칼리의 공격을 견뎌낼 수 있는 능력

• 높은 티열충격 저항 및 열전도도

• 18 GPa의 경도 등급

• 인장강도 200MPa

• 25°C에서 500~600MPa의 굽힘 강도

• 25°C에서 45W/mK의 열전도도

• 25°C에서 16kV/mm의 유전 강도

• 체적 저항률은 10¹⁴에서 10¹⁶까지입니다.

알루미늄 산화물 세라믹의 산업적 응용

알루미나 세라믹의 내마모성을 적용하고 성공적으로 활용할 수 있는 몇 가지 방법은 다음과 같습니다.

• 탭 밸브 및 산업 기계 부품과 같은 마모가 심한 부품을 생산할 수 있습니다.

• 전기부품 및 고전압 절연체 생산

• 볼 베어링, 레이저 튜브, 롤러, 씰 링, 정밀 샤프트 등 기계 구성 요소를 생산합니다.

• 알루미나 세라믹스로부터 유용한 반도체 부품을 얻을 수 있습니다.

• 이는 분사 노즐과 용광로 라이닝을 생산하는 데 도움이 될 수 있습니다.

• 군대에서는 이를 이용해 총알, 방탄조끼, 방탄복, 열전대를 생산합니다.

• 항공우주 및 자동차 산업에서는 자동차 예비 부품과 우주선 생산에 알루미나 세라믹을 활용합니다.

지르코니아 세라믹과 산화 알루미늄 세라믹의 비교

지금까지의 논의를 통해 내마모성이 가장 뛰어난 세라믹 소재에 대한 의문이 해결되었습니다. 이 두 세라믹 소재가 기술적으로 얼마나 견고한지 이미 확인하셨을 것입니다. 사실 지르코니아는 높은 구매 및 생산 비용에도 불구하고 고정밀 기술 응용 분야에서 더 우수하고 내구성이 뛰어난 내마모성 세라믹으로 우위를 점하고 있습니다. 반면 알루미나는 덜 까다로운 응용 분야에서 더 저렴하고 일반적으로 사용되는 옵션입니다. 지르코니아와 알루미나 세라믹의 내마모성 차이를 보여주는 표는 다음과 같습니다.

지르코니아와 산화알루미늄 세라믹 중 어떤 것을 선택하실지는 전적으로 귀하에게 달려 있습니다. 의사, 엔지니어, 또는 뛰어난 내마모성 세라믹 소재를 찾는 사람 등, 원하는 바와 원하는 결과에 따라 선택하시면 됩니다.

자주 묻는 질문

왜 지르코니아 산화물(ZrO2)은 좋은 열전도체가 아닌가? 

이는 ZrO2의 결정 구조에서 산소 원자와 지르코니아가 배열되어 있기 때문입니다.

지르코니아를 금속이라고도 부를 수 있나요?

아니요. 전기를 전도할 수 있기 때문에 세라믹 소재라고 부르거나 반도체 금속 산화물이라고 부를 수 있습니다.

이 두 세라믹 소재 중 어느 것이 의료용 임플란트에 더 적합할까요?

지르코니아는 강한 내구성, 뛰어난 생체적합성, 극심한 스트레스/파괴에 대한 저항력 덕분에 의료/수술용 임플란트에 더 적합합니다.

결론

지르코니아와 알루미나는 어떤 형태의 마모에도 완벽하게 견딜 수 있는 장비 생산의 길을 열었습니다. 고응력 조건, 극한의 작동 온도, 또는 갑작스러운 파손 등 어떤 상황에서도 탁월한 신뢰성을 제공하는 지르코니아와 알루미나는 거의 모든 제조업체와 사용자가 원하는 제품입니다. 지금이 바로 이 두 거물 기업처럼 글로벌 세라믹 분야에 투자하고 한계를 뛰어넘을 수 있는 절호의 기회입니다. 기쁜 소식은 저희에게 빠르게 연락하실 수 있다는 것입니다. GGSCeramics 최고의 지르코니아, 지르코니아 강화 알루미나, 그리고 알루미나 세라믹 제품을 만나보세요. 지금 바로 달려보세요!