결함의 영향

1. 머리말

다른 재료에서도 마찬가지이지만, 세라믹스에서는 강하게 만드는 것과 질기게 만드는 것이 중요하다. 특히, 구조 세라믹스에서는 질기게 만드는 것이 중요한데, 그것은 재료가 질기면 질길수록 잘 깨어지지 않아서 믿고 쓸 수가 있기 때문이다. 이와 같은 세라믹스의 강화 (强化, strengthening) 및 인화 (靭化, toughening)에 대한 연구는 1960년대부터 본격적으로 시작되었다. 특히, 1980년대부터는 이에 대한 체계적 연구가 활발히 이루어져, 이제는 그 이론적 바탕이 튼튼히 되었고 그 실질적 응용도 많이 이루어지고 있다 [1].

취성파괴를 하는 세라믹스에서 그 강도와 인성을 높이기 위해서는 응력이 모이게 되는 여러 가지 흠들을 없애거나 줄여야만 하는데, 그 중에서도 가장 나쁜 영향을 미치는 균열에 대한 조치가 특히 중요하다. 이 균열의 제어방법에는 균열을 아예 없애버리는 방법, 균열의 끝을 무디게 하거나 그 크기를 가능한 한 작게 하는 방법, 균열이 커나가는 것을 막는 방법 등이 있다. 여기서는 먼저 결함들이 어떤 영향을 미치는 가를 알아보고, 그 결함들을 제어하는 방법들에 대해서 자세히 알아보기로 한다.

연성파괴를 하는 금속재료에서는 그 강화에서 가장 중요한 역할을 하는 것이 전위 (轉位, dislocation)인데, 그 전위의 수나 움직임을 어떻게 제어하느냐가 그 재료의 강도 및 다른 기계적 특성을 좌우하게 된다. 즉, 휘스커 (whisker)와 같이 전위를 완전히 없애서 강한 재료를 만들거나, 가공경화 (加工硬化, work hardening)와 같이 재료 내에 일부러 아주 많은 전위를 생기게 함으로써 그 움직임을 어렵게 하여 재료를 강화시키거나, TD-Nickel의 경우와 같이 전위의 이동을 분산된 ThO2 미세 입자로 억제하여 강화시키게 된다.

앞에서도 말한 바와 같이 취성파괴를 하는 세라믹스에서는 이와 같은 전위이동이 거의 일어나지 않고, 그 파괴양상은 결함에 의해 좌우되게 된다. 이 결함들은 주로 그 제조과정이나 가공 중에 생긴 것들인데, 대표적 예는 표면균열 및 내부균열, 큰 기공, 제 2 상 포함물 (包含物, inclusion), 큰 결정립 등이 있다. 따라서, 이 결함들이 어떤 영향을 미치는 가를 알아보는 것은 세라믹스의 강화와 인화를 이룰 수 있는 그 첫걸음이 된다.

1. 표면균열

모든 균열은 다음의 Griffith식에서 나타난 대로 재료의 강도에 가장 나쁜 영향을 미친다.

---------- (1)

즉, 세라믹스의 강도 σf는 균열크기 c의 1/2 승에 비례해서 낮아진다. 세라믹스의 실제 응용에서는 표면에 있는 균열이 특히 나쁜 영향을 미친다. 그것은 이 표면균열의 끝이 보통 날카롭게 생기고 많은 응용에서 재료의 표면에 최고 인장응력이 걸리는 경우가 많아서, 응력의 집중이 심하기 때문이다. 질화규소의 예 [2]를 보면 같은 크기의 결함들 중에서 표면균열이 강도에 가장 나쁜 영향을 미친다는 것을 잘 보여주고 있다.

2. 기공

기공은 직접 균열이 시작되는 원점의 역할도 하지만, 그 기공에 집중되는 응력에 의해 미세균열들과 같은 주위 결함들과 연결되어 파괴를 일으키기도 한다. 실제 실험으로 얻어진 데이터를 정리해 보면 세라믹스에서 기공율 P가 강도와 탄성계수에 미치는 영향은 다음과 같이 나타난다 [3,4].

---------- (2)

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여기서, σo와 Eo는 P가 0일 때의 강도 및 탄성계수, k와 k'는 상수이다. 즉, 강도와 탄성계수는 우리가 예측할 수 있는 바와 같이 기공율이 커짐에 따라 지수적으로 낮아진다. 위의 식들은 기공율이 1일 때 강도나 탄성계수가 영이 되어야 하는 조건을 만족치는 못하지만, 수십%의 기공율 범위에서는 잘 맞는 관계식들이다.

기공이 세라믹스의 인성에 미치는 영향은 그 모양이 어떻게 생겼느냐에 달려있다. 만일 기공이 구형이라면, 진행하던 균열이 이 기공을 만나게 될 때 그 끝이 무디어지게 되므로 그 인성이 조금 올라가는 효과를 나타낸다. 만일 기공이 날카롭다면, 진행하던 균열이 이 기공을 만나도 그 끝이 무디어지지 않으므로 그 인성은 변화가 없거나 오히려 조금 낮아지는 효과를 나타낸다.

3. 제 2 상 및 포함물 (Inclusion)

세라믹스에서 제 2 상은 의도적으로 넣는 것이 일반적이다. 이 제 2 상은 다음에 나오는 복합재료에서와 같이 그 기계적 특성을 향상시키는 경우도 많다. 그러나, 소결을 돕기 위해서나 다른 전자기적 또는 화학적 특성의 조절을 위해 제 2 상을 넣