새로운 중국 세라믹은 실제로 금속처럼 구부러질 수 있습니다.

Oct 04, 2023

니세린/iStock

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중국 연구진이 세계 최초로 금속처럼 구부러지는 세라믹 물질을 개발했습니다. 이러한 개발이 사실이라면 인공 관절과 엔진 성능을 향상시킬 수 있습니다.

이 발견 이전에는 일반적으로 세라믹의 유연성과 강도는 반대이며 다른 하나가 개선되면 둘 중 하나가 악화될 것이라고 일반적으로 믿어졌습니다.

연구를 주도한 재료 과학자 Chen Kexin은 이 새로운 재료가 과학자들이 동시에 더 강하면서도 더 가볍게 만든 최초의 재료라고 말합니다. 세라믹의 단단함과 금속의 유연성을 동시에 가지고 있습니다.

중국 국립자연과학재단(National Natural Science Foundation)의 공학 및 재료과학과 교수인 Chen은 "이 세라믹은 많은 산업에 기술 혁명을 가져올 수 있다"고 말했습니다.

10월 27일, Chen과 Tsinghua University의 동료들은 Science 저널에 연구 결과를 발표했습니다. 같은 호 사이언스(Science)에 게재된 핀란드 탐페레 대학의 에르카 프랑크베르그(Erkka Frankberg) 교수는 이번 발견으로 "현재 최고의 금속 합금보다 더 가볍고 강한 재료가 탄생할 수 있다"고 말했습니다.

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Chen은 "30년 전 경력을 시작한 이래로 전 세계적으로 세라믹의 가소성에 대한 연구가 진행되어 왔습니다. 오늘 우리는 마침내 그 주제에 대한 돌파구를 달성했다고 말할 수 있습니다"라고 말했습니다.

과학자들은 질화규소를 사용하여 두 가지 다른 결정 구조를 가진 나노기둥을 만들었습니다. 하나의 결정 구조에 외부 힘이 가해지면 다른 유형으로 바뀔 수 있습니다. 이렇게 하면 재료가 원래 모양으로 돌아가기 전에 구부러질 수 있습니다.

이 물질은 항공 엔진을 만드는 데 특히 유리할 수 있습니다. 세라믹 소재는 내구성이 뛰어나고 가벼우며 내열성이 뛰어납니다. 유연한 세라믹 엔진은 일반적인 합금 엔진보다 훨씬 더 높은 온도와 훨씬 더 나은 연료 효율성으로 작동할 수 있습니다.

세라믹 엔진은 훨씬 가볍기 때문에 합금 엔진보다 훨씬 빠르게 움직일 수 있습니다. 엔진을 가볍게 함으로써 다른 부품에 가해지는 스트레스가 감소됩니다.

이 물질은 자동차 엔진에도 적용될 수 있습니다. 세라믹 엔진은 합금에 대한 세라믹 소재의 우수한 내열성으로 인해 냉각수 탱크가 더 작을 수 있습니다. 세라믹 엔진의 더 높은 연소 온도는 더 많은 추력을 생성하고 오염을 줄일 수 있습니다.

질화규소로 만든 세라믹은 생체 적합성, 가벼움, 박테리아 저항성 때문에 관절 교체 시 금속을 대체할 수 있습니다. 금속으로 만들어진 대부분의 인공 관절은 10년마다 교체해야 하는데, 이는 비용이 많이 들고 고통스럽습니다.

Chen은 "세라믹으로 만든 인공 관절은 이식 후 평생 지속될 수 있습니다"라고 설명했습니다.

Chen은 또한 이 재료가 발전기를 팬 블레이드에 연결하는 풍력 터빈의 필수 부품인 베어링을 만드는 데 사용될 수 있다고 말했습니다. 사용 중에 수 톤의 압력을 견뎌야 하는 각 베어링의 내구성은 시스템의 전체 서비스 수명에 영향을 미칩니다.

"우리의 유연한 질화규소 세라믹은 더 오래 지속되는 베어링을 만드는 데 사용될 수 있으며, 이는 평균적으로 풍력 발전 비용을 낮출 수 있습니다"라고 Chen은 설명합니다.

"우리의 실험을 기반으로 이 유연한 세라믹 재료를 대규모로 생산하는 것이 가능합니다. 고급 장비 분야에서는 분명한 가격 이점이 있습니다"라고 그는 덧붙였습니다.

그는 제트 엔진에 사용되는 단결정 터빈 블레이드를 만드는 데 사용되는 값비싼 희토류 광물의 예를 들었습니다. 동시에 가장 비싼 질화규소는 킬로그램당 약 200달러에 판매됩니다.

Chen은 "우리는 현재 작업을 기반으로 이 세라믹 재료를 계속 개선할 것입니다. 일단 문을 열면 뒤에는 넓은 세상이 있습니다"라고 Chen은 말했습니다.

Science 저널에서 직접 연구 내용을 볼 수 있습니다.

연구 개요:

"공유 결합된 세라믹은 경도, 강도, 화학적 불활성, 열 및 부식에 대한 저항성을 비롯한 탁월한 특성을 나타내지만 실온에서의 취성으로 인해 더 넓은 적용이 어렵습니다. 금속의 원자가 슬립 평면을 따라 미끄러질 수 있는 것과는 대조적으로 변형을 수용하기 위해 공유 결합 세라믹의 원자는 공유 결합의 강력하고 방향성 특성으로 인해 결합 파괴가 필요합니다. 이는 결국 로딩 시 치명적인 실패로 이어집니다. 우리는 변형 가능한 공유 결합 질화규소(Si3N4) 세라믹을 설계하기 위한 접근 방식을 제시합니다. 응집성 인터페이스를 갖춘 이중 위상 구조. 연속적인 결합 전환은 응집성 인터페이스에서 실현되어 응력으로 인한 상 변형을 촉진하고 결국 소성 변형성을 생성합니다."