희토류 산화물이 세라믹 코팅에 미치는 영향은 무엇인가?

세라믹, 금속 재료, 고분자 재료는 3대 주요 고체 재료로 꼽힙니다. 세라믹은 이온 결합, 공유 결합, 또는 높은 결합 에너지를 가진 혼합 이온-공유 결합과 같은 원자 결합 방식을 통해 고온 내성, 내식성, 내마모성 등 우수한 특성을 가지고 있습니다. 세라믹 코팅은 기판 외부 표면의 외관, 구조 및 성능을 변화시킬 수 있으며, 코팅-기판 복합재는 이러한 새로운 성능으로 인해 선호됩니다. 세라믹 코팅은 기판의 본래 특성과 세라믹 재료의 고온 내성, 내마모성, 내식성이라는 특성을 유기적으로 결합하여 두 재료의 장점을 최대한 활용할 수 있도록 하므로 항공우주, 항공, 국방, 화학 산업 등 다양한 산업 분야에서 널리 사용되고 있습니다.

희토류는 독특한 4f 전자 구조와 물리적, 화학적 특성으로 인해 신소재의 "보물 창고"로 불립니다. 그러나 순수 희토류 금속은 연구에 직접 사용되는 경우가 드물고, 희토류 화합물이 주로 사용됩니다. 가장 흔한 화합물은 CeO₂, La₂O₃, Y₂O₃, LaF₃, CeF₃, CeS, 그리고 희토류 페로실리콘입니다. 이러한 희토류 화합물은 세라믹 재료 및 세라믹 코팅의 구조와 특성을 향상시킬 수 있습니다.

I 세라믹 소재에 희토류 산화물의 적용

희토류 원소를 안정제 및 소결 보조제로 다양한 세라믹에 첨가하면 소결 온도를 낮추고 일부 구조용 세라믹의 강도와 인성을 향상시켜 생산 비용을 절감할 수 있습니다. 동시에 희토류 원소는 반도체 가스 센서, 마이크로파 매체, 압전 세라믹 및 기타 기능성 세라믹에서도 매우 중요한 역할을 합니다. 연구에 따르면 알루미나 세라믹에 두 개 이상의 희토류 산화물을 함께 첨가하는 것이 단일 희토류 산화물을 첨가하는 것보다 효과적입니다. 최적화 시험 결과, Y2O3+CeO2가 가장 효과적인 것으로 나타났습니다. 1490℃에서 0.2% Y2O3+0.2% CeO2를 첨가하면 소결된 샘플의 상대 밀도가 96.2%에 도달할 수 있으며, 이는 희토류 산화물 Y2O3 또는 CeO2를 단독으로 첨가한 샘플의 밀도를 능가합니다.

La2O3+Y2O3, Sm2O3+La2O3의 소결 촉진 효과는 La2O3만 첨가했을 때보다 우수하며, 내마모성도 현저히 향상됩니다. 또한, 두 가지 희토류 산화물의 혼합은 단순한 첨가가 아니라 상호작용을 통해 이루어지며, 이는 알루미나 세라믹의 소결 및 성능 향상에 더욱 유리함을 보여주지만, 그 원리는 아직 연구되어야 합니다.

또한, 혼합 희토류 금속 산화물을 소결 보조제로 첨가하면 재료의 이동을 개선하고, MgO 세라믹의 소결을 촉진하며, 밀도를 향상시킬 수 있는 것으로 나타났습니다. 그러나 혼합 금속 산화물의 함량이 15%를 초과하면 상대 밀도가 감소하고 개방 기공률이 증가합니다.

둘째, 희토류 산화물이 세라믹 코팅의 특성에 미치는 영향

기존 연구에 따르면 희토류 원소는 입자 크기를 미세화하고, 밀도를 증가시키며, 미세 구조를 개선하고, 계면을 정화하는 효과가 있는 것으로 나타났습니다. 희토류 원소는 세라믹 코팅의 강도, 인성, 경도, 내마모성, 내부식성을 향상시키는 데 독보적인 역할을 하며, 이를 통해 세라믹 코팅의 성능을 일정 수준 향상시키고 적용 범위를 넓혀줍니다.

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희토류 산화물을 이용한 세라믹 코팅의 기계적 특성 향상

희토류 산화물은 세라믹 코팅의 경도, 굽힘 강도 및 인장 결합 강도를 크게 향상시킬 수 있습니다. 실험 결과에 따르면 Al2O3+3% TiO2 재료에 LaO_2를 첨가제로 사용하면 코팅의 인장 강도가 효과적으로 향상될 수 있으며, LaO_2 함량이 6.0%일 때 인장 결합 강도는 27.36MPa에 도달할 수 있습니다. Cr2O3 재료에 질량 분율이 3.0% 및 6.0%인 CeO2를 첨가하면 코팅의 인장 결합 강도는 18~25MPa로 원래 12~16MPa보다 향상됩니다. 그러나 CeO2 함량이 9.0%일 때 인장 결합 강도는 12~15MPa로 감소합니다.

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희토류 원소를 이용한 세라믹 코팅의 열충격 저항성 향상

내열충격성 시험은 코팅과 기판 사이의 접합 강도 및 열팽창 계수의 일치성을 정성적으로 반영하는 중요한 시험입니다. 이는 사용 중 온도 변화에 따른 코팅의 박리 저항성을 직접적으로 반영할 뿐만 아니라, 코팅이 기계적 충격 피로에 저항하는 능력과 측면에서 기판과 접합하는 능력도 반영합니다. 따라서 세라믹 코팅의 품질을 판단하는 핵심 요소이기도 합니다.

연구에 따르면 3.0% CeO2를 첨가하면 코팅의 기공률과 기공 크기가 감소하고 기공 가장자리의 응력 집중이 감소하여 Cr2O3 코팅의 열충격 저항성이 향상되는 것으로 나타났습니다. 그러나 LaO2를 첨가한 Al2O3 세라믹 코팅의 기공률은 감소하고, 코팅의 접합 강도와 열충격 파괴 수명이 현저히 증가했습니다. LaO2를 6%(질량 분율) 첨가했을 때 코팅의 열충격 저항성이 가장 우수하여 열충격 파괴 수명이 218배에 달하는 반면, LaO2를 첨가하지 않은 코팅의 열충격 파괴 수명은 163배에 불과했습니다.

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희토류 산화물은 코팅의 내마모성에 영향을 미칩니다.

세라믹 코팅의 내마모성 향상에 사용되는 희토류 산화물은 주로 CeO₂와 La₂O₃입니다. 이들의 육각형 층상 구조는 우수한 윤활 기능을 발휘하고 고온에서 안정적인 화학적 특성을 유지하여 내마모성을 효과적으로 향상시키고 마찰 계수를 감소시킬 수 있습니다.

연구에 따르면 CeO2가 적정량 첨가된 코팅의 마찰 계수는 작고 안정적입니다. 플라즈마 용사 니켈 기반 서멧 코팅에 La2O3를 첨가하면 코팅의 마찰 마모 및 마찰 계수를 현저히 줄일 수 있으며 마찰 계수는 변동이 거의 없이 안정적이라고 보고되었습니다. 희토류가 없는 클래딩층의 마모 표면은 심각한 접착 및 취성 파괴와 박리를 보입니다. 그러나 희토류를 함유한 코팅은 마모된 표면에 약한 접착력을 보이며 대면적 취성 박리의 징후는 없습니다. 희토류가 도핑된 코팅의 미세 구조는 더 조밀하고 조밀하며 기공이 감소하여 미세 입자가 지니는 평균 마찰력이 감소하고 마찰과 마모가 감소합니다. 희토류를 도핑하면 서멧의 결정 평면 거리가 증가하여 두 결정면 사이의 상호 작용력이 변화하고 마찰 계수가 감소합니다.

요약:

희토류 산화물은 세라믹 재료 및 코팅의 응용 분야에서 큰 성과를 거두어 세라믹 재료 및 코팅의 미세 구조와 기계적 특성을 효과적으로 개선할 수 있지만, 특히 마찰과 마모를 줄이는 측면에서는 여전히 알려지지 않은 특성이 많습니다. 재료의 강도와 내마모성을 윤활 특성과 어떻게 조화시킬 것인가는 트라이볼로지 분야에서 논의할 만한 중요한 방향이 되었습니다.

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