나노구조 세라믹 코팅은 피로를 주지 않는다는 연구 결과가 나왔습니다.

Oct 01, 2023

2022년 11월 17일

비엔나 공과대학교

매우 얇은 세라믹 코팅은 기술 부품의 특성을 완전히 바꿀 수 있습니다. 예를 들어, 코팅은 열이나 부식에 대한 금속의 저항성을 높이기 위해 사용됩니다. 코팅 공정은 대형 터빈 블레이드뿐만 아니라 생산 기술에서 극심한 스트레스를 받는 도구에도 중요한 역할을 합니다.

TU Wien(비엔나)은 이제 그러한 코팅의 안정성을 결정하는 요소를 조사했습니다. 함부르크의 DESY 싱크로트론에서 얻은 결과 중 일부는 매우 놀랍습니다. 세라믹 층은 금속과 완전히 다른 방식으로 분해됩니다. 물질적 피로는 거의 역할을 하지 않습니다. 결정적인 요인은 극한 하중 피크의 강도(소위 응력 강도 계수)입니다. 이 발견은 앞으로 박막의 저항을 측정하고 더욱 향상시키는 데 사용되는 방법을 바꿀 것입니다.

이 연구는 Acta Materialia에 게재되었습니다.

"많은 응용 분야에서 주기적인 하중은 큰 문제입니다."라고 TU Wien 재료 과학 기술 연구소의 응용 표면 및 코팅 기술 연구 그룹 책임자인 Helmut Riedl 교수는 말합니다. "금속 부품을 일정한 힘에 계속해서 노출시키면 미세한 변화가 일어납니다." 일부 원자는 이동할 수 있고, 서로 미끄러질 수 있는 층이 형성되며, 작은 균열이 발생하여 궁극적으로 전체 구성 요소가 파손될 수 있습니다. 이러한 재료 피로 효과는 공학 분야 어디에서나 볼 수 있으며 잘 연구되었습니다.

그러나 응력을 받는 얇은 코팅에 무슨 일이 일어나는지는 덜 명확합니다. Applied Surface and Coating Technology Research Group에서 논문을 작성 중인 Lukas Zauner는 "세라믹 코팅은 두께가 수 나노미터에서 10μm에 불과한 경우가 많으며, 세라믹의 고체 조각과 거동이 완전히 다릅니다."라고 말합니다.

이러한 거동에 대한 가장 깊은 이해를 얻기 위해 TU Wien에서는 완전히 새로운 측정 방법이 개발되었습니다. 일반적으로 수행되는 것처럼 금속과 세라믹 코팅을 함께 테스트하는 대신 팀은 금속을 제외하고 일반적으로 사용되는 다양한 세라믹 재료의 매우 얇은 샘플을 생성했습니다. 박막 기술을 사용하여 정확하게 정의된 방식으로 최대 천만 번까지 반복해서 다양한 부하에 노출시켰습니다.

결과적으로 세라믹의 원자 구조가 변하는지 정확히 알아내기 위해 팀은 실험 장치를 함부르크로 가져갔습니다. 그곳에서는 DESY의 싱크로트론에서 매우 초점이 잘 맞춰진 X선을 사용할 수 있습니다. 로딩 실험 중 샘플의 다양한 지점. 이러한 방식으로 결정 구조나 이웃 원자 사이의 거리의 작은 변화도 감지할 수 있습니다.

그러나 놀랍게도 이러한 측정 결과에 따르면 세라믹은 실제로 변하지 않습니다. 수백만 번의 하중 주기에도 재료 피로가 발생하지 않습니다. "표준 세라믹은 우리가 금속에서 알고 있는 피로와 유사한 특정 패턴에 따라 피로해집니다. 그러나 이러한 극도로 얇은 층은 이러한 동작을 나타내지 않습니다"라고 Helmut Riedl은 말합니다. "그들의 미세 구조는 처음과 마지막에도 동일합니다."

이는 얇은 층의 내구성이 파괴 인성에 의해서만 결정된다는 것을 의미합니다. 재료의 하중 한계 특성을 초과하면 층이 갑자기 그리고 되돌릴 수 없게 파괴됩니다. 그러나 이 한계 미만의 모든 하중은 문제가 되지 않으며, 세라믹 층을 노화시키지 않으며 실제로 아무런 효과도 없습니다.

"물론 이것은 또한 새롭고 향상된 세라믹 코팅 재료에 대한 연구 프로젝트가 설계되는 방식의 전략을 변화시킵니다"라고 Helmut Riedl은 말했습니다. "장기간의 테스트를 할 필요 없이 간단한 하중 테스트로 어떤 재료가 어떤 힘에 의해 부서지는지 알아내는 것만으로도 충분합니다. 재료의 피로 효과를 어떻게 완화할 수 있을지 걱정할 필요가 없습니다. 파괴 인성이 가장 높은 재료를 찾으면 됩니다. 심지어 이 작업 자체는 간단한 작업이 아닙니다."