깨끗한 소스에서 얻은 고온 알루미나/티탄산알루미늄 세라믹 복합재 가공

Jun 21, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 5957(2022) 이 기사 인용

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깨끗한 자원으로부터 고성능의 새로운 기술 소재를 생산하는 것은 세계적인 요구 사항이 되었습니다. 알루미나/티탄산알루미늄(Al2O3/Al2TiO5) 복합재는 다양한 고급 응용 분야에 사용되는 고온의 유망한 재료입니다. 이 연구에서는 저비용 공정을 통해 고온 응용을 위한 높은 열적, 기계적 특성을 지닌 다양한 Al2O3/Al2TiO5 복합재를 얻었습니다. 목표 복합재는 소성 알루미나와 1650°C/2시간의 온도에서 무압력 소결을 통해 이집트 검은 모래에서 추출된 금홍석 광석으로 생산되었습니다. 루타일은 소결성과 열-기계적 반응을 촉진하기 위해 다양한 함량(0~40wt%)으로 알루미나에 첨가되었습니다. 상 조성, 치밀화, 미세 구조적 특징, 기계적 및 열적 특성 측면에서 생산된 복합재의 평가를 조사했습니다. 결과는 소량의 루틸(10 및 20 중량%) 첨가가 안정적인 Al2O3/Al2TiO5 복합 구조를 형성하는데 성공했음을 나타냅니다. 그러나 금홍석 함량이 높을수록 Al2TiO5가 풍부한 매트릭스 복합재가 형성되었습니다. 또한, 금홍석 함량을 증가시켜 조화로운 미세구조와 강화된 기계적 강도를 지닌 고밀도 복합재를 얻을 수 있었습니다. 루타일을 10wt%만 첨가한 복합재는 3.6g/cm3의 가장 높은 밀도와 각각 488.73MPa 및 106.19MPa의 가장 높은 냉간 분쇄 강도 및 파단 계수 값을 나타냈습니다. 특히, 금홍석의 첨가는 최대 1400°C의 고온까지 얻은 복합재의 열적 특성과 열 안정성을 향상시키는 데 상당한 효과가 있습니다. 본 연구는 알루미나에 금홍석 광석을 첨가하는 것이 고온 응용 분야에서 Al2O3의 치밀화 및 열팽창을 향상시키는 경제적인 방법 중 하나임을 보여줍니다. 순수한 TiO2 대신 Fe2O3, Al2O3, SiO2, ZrO2 및 MgO와 같은 일부 열 안정제를 포함하는 금홍석 광석과 같은 청정 소스를 사용하면 반응 소결을 개선하고 우수한 품질의 재료를 만드는 데 눈에 띄는 역할을 했습니다. 따라서 소결된 Al2O3/Al2TiO5 복합재는 고급 응용 분야를 위한 유망한 고온 재료로 간주될 수 있습니다.

오늘날 다양한 산업 분야의 지속적인 발전으로 인해 고온 첨단 소재의 가공이 시급한 요구 사항이 되었습니다. 고온 재료는 500-600 °C 범위의 온도 환경을 견디는 재료라는 것이 확립되었습니다1,2,3,4. 따라서 세라믹 및 내화 재료는 고온 응용 분야에 가장 유망한 후보로 간주되었습니다. 또한 고온 응용 분야에 대한 재료의 적합성과 지속 가능성은 고온 열적, 기계적 성능은 물론 생산 비용에 따라 결정된다는 사실도 밝혀졌습니다. 더욱이, 경제 및 산업적 관점에서 이러한 고온 재료가 직면한 가장 중요한 문제 중 하나는 비용 절감입니다5. 따라서, 주요 과제는 저렴한 비용으로 높은 열적, 기계적 특성을 지닌 고온 재료를 얻는 것입니다.

가장 잘 알려진 고온 세라믹 재료 중 하나는 알루미나(Al2O3, A)이다. 우수한 특성으로 인해 다양한 응용 분야에 널리 사용될 수 있는 잘 알려진 구조용 세라믹 소재입니다. 이러한 특성 중 일부는 높은 융점, 화학적 불활성, 우수한 내식성, 내마모성, 경도, 높은 절연성 및 가공 용이성입니다. 그러나 알루미나의 치명적인 파손은 열 변화에 대한 정교한 큰 응력으로 인해 급성 열 환경에서 발생합니다. 또한 알루미나의 높은 기계적 강도에도 불구하고 높은 열팽창(α20–1000 °C = 8 * 10–6 K−1) 및 열 전도성으로 인해 일부 고온 구조 응용 분야의 범위가 제한됩니다6,7,8,9 .