열과 냉각 등으로 굳어진 고체 무기물 세라믹

 

무기재료 또는 비금속 재료를 성형 후 열처리한 고체 무기물

세라믹은 금속, 플라스틱과 함께 중요한 공업재료이다. 벽돌, 시멘트, 유리, 자기도 세라믹이며, 세라믹으로 전자공학과 우주선에 사용하는 특수 재료들도 만든다. 세라믹은 대부분 단단하고 높은 온도와 화학물질에 잘 견뎌서 각종 산업에서 다양하게 사용된다. 세라믹은, 점토, 장석, 규석, 활석 따위 재료로 만든다. 지각의 대부분이 이들 규산염 물질로 이루어져 있다. 세라믹 제품들은 대개 산, 가스, 염, 물, 고온에 잘 견디지지만 세라믹 제품들 모두가 같은 특성을 지닌 것은 아니다. 세라믹은 대부분 전류가 거의 통하지 않는 좋은 절연체이지만 냉각되면 전기저항을 잃어 초전도체가 되는 세라믹도 있다. 어떤 세라믹은 자성을 띠기도 한다. 세라믹을 만들 때 재료의 비율과 종류를 다르게 해서 세라믹의 특성을 조절할 수 있다.

 

연마제, 건축재료, 식기류 등 다양한 제품

세라믹으로 연마제, 건축재료, 식기류, 전기장치, 유리 제품, 내화물(내열성 재료)따위 제품들을 만든다. (1) 연마제: 아주 단단한 세라믹 재료는 금속을 자르고 표면을 연마하고 광택을 내고 사포로 마감하는 일에 사용한다. 알루미나와 탄화규소 따위로 만드는 세라믹은 연마제로 주로 사용한다. (2) 건축재료: 점토와 셰일로 강하고 튼튼한 벽돌과 건물용 배수관을 만든다. 타일은 점토와 활석으로 만들고 규산칼슘으로 이루어진 시멘트는 콘크리트를 만드는 데 사용되며 석고로는 벽면이나 천장용 벽토를 만든다. 욕조, 변기는 주로 점토, 장석, 석영으로 이루어진 도자기로 만든다. (3) 식기류: 세라믹은 액체를 흡수하지 않을 뿐만 아니라 산, 염, 세제, 온도 변화에 강하므로 식기용 재료로 알맞다. 세라믹 식기류는 대개 점토, 장석, 석영 혼합물로 만든다.(4) 전기장치: 전기가 통하지 않는 세라믹은 자동차 점화플러그, 송·배전선, 텔레비전 내부 절연체에 사용한다. 타이타늄산 바륨은 축전기에, 자기 세라믹스는 전기회로와 전동기에 사용한다. 복잡한 전기회로는 얇은 알루미나층 위에서 각각의 부품들을 연결한다. (5) 유리제품: 유리는 투명하기 때문에 다양한 용도로 쓰인다. 주로 식기, 전구 유리창, 렌즈 따위를 만든다. 유리섬유로 만든 케이블은 전화 신호나 다른 정보를 손실 없이 전송한다. 유리의 주성분은 규소이다. 또한 냉장고, 조리 기구 세탁기 따위 금속 제품들과 옥외 간판의 표면에는 유리질 법랑을 입혀 보호한다. (6) 내화물: 내열성이 뛰어나서 산업용 보일러나 강철 제조용 가열로를 만들기에 적당하다. 또 내화물로 만든 타일은 고속운행으로 생기는 고온에 견뎌야 하는 우주선의 표면을 덮는 데 사용한다. 내화물에 사용하는 세라믹에는 알루미나 산화마그네슘, 규석 탄화규소, 산화지르코늄 따위가 있다. (7) 그 밖의 제품들: 세라믹의 새로운 용도는 계속 개발되고 있다. 도자기는 인공치아나 인공관절에, 산화우라늄 세라믹스는 원자로의 연료 소재로 사용한다. 질화규소로는 절삭용 공구를 만들고, 탄화물로 만든 내화물은 항공기 엔진용 부품에 사용한다. 또 알루미나는 특수 레이저에 사용한다.

 

선사시대부터 시작된 역사와 제조

점토와 다른 광물들은 땅에서 채취하여 정제한 다음, 기계로 분쇄하고 고운 가루로 만든다. 가루들은 적절한 비율로 혼합하고 여기에 물이나 다른 액체를 넣어 성형할 수 있는 혼합물로 만든다. 점토가 들어 있지 않는 혼합물에는 접착성 물질을 첨가하기도 한다. 유리와 몇몇 내화물들은 원료를 녹여서 원하는 모양으로 만든다. 성형한 제품은 건조한 다음 가마 안에서 구워 강하게 만든다. 세라믹은 650~1,650℃에서 구워내며 이때 단단해지고 강도와 내구성이 생긴다. 세라믹 제품들에 유악을 칠하면 표면이 물을 흡수하지 않고 매끄럽게 되며 세척하기도 쉽고 반짝이게 된다. 가장 오래된 형태의 세라믹 제품인 도자기는 선사시대부터 사용했는데 약 1만 3000년 전에 만들어진 물건이 세계 곳곳에서 발견되었다. 세라믹을 산업에 이용한 것은 1900년대부터이다. 제2차 세계대전(1939~1945) 동안 군사용 고성능 재료가 필요하자 세라믹 기술과 공학이 빠르게 발전했다. 1960년대와 1970년대에는 원자력 에너지 전자공학 통신, 우주여행이 발달하면서 새로운 세라믹이 필요하게 되었다. 고속 우주선이 출현하자 내열 세라믹스 코팅과 높은 온도에서 견딜 수 있는 엔진 내부재료가 필요하게 되었다. 1980년대 초부터 세라믹으로 자동차, 트럭, 펌프, 발전기용으로 가볍고 오래가는 엔진을 개발하기 시작했다. 1986년 세라믹 초전도체가 발견되어 전기장치, 전기자동차, 수송차량용 초전도 세라믹스 부품 개발이 전 세계에서 활발히 진행되고 있다.