YAG 크세로겔의 합성 및 로보캐스팅: 1

Dec 27, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 8454(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

세미 파일럿 규모로 알루미늄 알콕시드와 이트륨 염으로부터 YAG(이트륨 알루미늄 가넷) 크세로겔을 생성하기 위해 최적화된 졸-겔 프로토콜이 수행되었습니다. 이 크세로겔은 페이스트 제조 시 첨가제의 도움으로 고체 하중으로 사전 열분해 없이 성공적으로 사용되었습니다. 페이스트를 로보캐스팅하여 얻은 성형체의 열처리를 통해 응집성 단상 YAG 세라믹이 생성되었습니다. 적층 방식으로 세라믹 조각을 제조하면 복잡한 형태를 형성할 수 있으며, 단일 단계 변환/통합을 통해 기술 프로세스가 단순화되고 글로벌 에너지 비용이 절감됩니다. YAG는 고온에서 높은 강도와 ​​우수한 크리프 특성을 가지므로 이러한 내화 조각은 심우주 탐사용 터빈 블레이드에 사용되는 금속 합금을 대체할 수 있습니다. 크세로겔 분말, 페이스트 및 YAG 세라믹에 대한 구조적, 열적 및 화학적 특성 분석이 수행되었습니다.

프랑스 우주국(CNES)은 우주 추진을 위한 중요한 하위 시스템의 설계를 개선할 목적으로 산화물 세라믹에 대한 연구 개발을 수행했습니다. 금속 합금의 저항으로 인해 발생하는 최대 허용 터빈 온도는 액체 추진 로켓 엔진 사이클의 성능 제한을 나타냅니다. 고정자/회전자 터빈 부품에 산화물 세라믹을 도입하면 사이클 온도를 높이고 그에 따라 성능을 향상시킬 수 있는 유망한 솔루션이 될 수 있습니다. 수명의 관점에서 볼 때 크리프 저항성 세라믹은 심우주 탐사를 위한 온보드 전력 생산 시스템 개발을 위한 핵심 기술이 될 것입니다1. 이 목적을 위해 이트륨 알루미늄 가넷(YAG, Y3Al5O12)이 선택되었습니다. 고체 레이저5를 위한 레이저 이득 호스트 재료2,3,4로 알려진 것 외에도 기계적 특성으로도 활용될 수 있습니다. 실제로, 이는 높은 강도, 고온(> 1000°C)에서의 우수한 크리프 거동, 우수한 물리적 및 화학적 안정성, 낮은 열 전도성 및 우수한 수증기 부식 저항으로 인해 고온에서 흥미로운 기계적 특성을 나타냅니다6. 또한 열차폐 코팅8을 위한 산화 환경이나 장기 보존9이 필요한 응용 분야에도 사용됩니다.

고체 상태10,11를 포함하여 YAG 준비에 대해 보고된 모든 프로토콜 중에서 졸-겔 기반 합성은 단상 YAG를 제조하는 좋은 방법임이 입증되었습니다. 졸-겔 방법에서 전구체의 균질한 혼합이 화학적 제품의 균일성과 낮은 처리 온도12. 예를 들어, 이 공정에 따라 Gowda13은 800~1400°C 사이에서 열처리할 때 YAG로 결정화되는 이트리아 및 알루미늄 트라이섹-부톡사이드 아세테이트 젤을 준비했습니다. 또한 Manalert와 Rahaman14은 졸-겔 방법과 CO2 추출을 통한 초임계 건조를 사용하여 알루미늄 tri-sec-부톡사이드와 이트륨 아세테이트 수화물의 혼합물로부터 비정질 YAG를 얻었습니다. 마지막으로 Singlard 등15은 알루미늄 tri-sec-부톡사이드와 무수 이트륨 클로라이드로부터 단상 YAG의 졸-겔 합성과 후속 열처리를 개발했습니다.

어쨌든 이러한 분말은 세라믹으로서의 특성을 유지하면서 제조되고 성형되어야 합니다. 현재, 저렴한 비용과 사용 용이성으로 인해 압출은 세라믹의 직접 성형에 가장 널리 사용되는 기술 중 하나입니다. YAG 제조의 경우 혼합 분말 수성 슬러리18을 사용한 3D 프린팅과 YAG 나노입자19의 3D 직접 잉크 쓰기 등 문헌에서 몇 가지 예를 찾을 수 있습니다. 그러나 이러한 혁신의 대부분은 YAG가 희토류 금속 원소로 도핑되고 원하는 특성이 굴절률17, 광발광20 등과 관련되어 있는 광학 분야에 속하며 크세로겔의 압출과 관련된 것은 없습니다.