성형 · 형상 제작용 세라믹 재료

클레이 · 슬립 · 석고 · 퍼티 · 가공용 세라믹으로 원하는 모양 만들기, 세라믹 와플, 저열팽창 ZRP

바르는 코팅이 아니라 직접 모양을 만들어 굽는 세라믹 재료입니다.⁠‌‌‌‌‌‌‌⁠ 손 · 프레스로 빚는 클레이, 석고 틀에 붓는 슬립, 물만 섞는 석고형 분말, 메워 고치는 퍼티, 공구로 깎는 가공용 세라믹이 있습니다. 와플 기계로 세라믹 판을 만드는 방법과, 용융 실리카만큼 열팽창이 작은 ZRP의 측정 결과도 함께 정리했습니다.

1. 클레이 — 손 · 프레스로 빚어 굽기

점토처럼 손으로 빚거나 프레스로 눌러 모양을 만든 뒤, 말리고 소성(굽기) · 소결해 원하는 세라믹으로 만듭니다.⁠‌‌‌‌‌‌‌⁠

제품	주성분 · 형태	성형 방법	소성 · 소결
RefClay Y⁠‌‌‌‌‌‌‌⁠	이트리아(Y₂O₃), 수성, 바로 사용	프레스 성형으로 형상 제작	1400℃ 에서 고밀도로 소성
RefClay Z	지르코니아(ZrO₂), 수성, 바로 사용	프레스 성형으로 형상 제작	1400~1600℃ 에서 고밀도로 소성
RefClay ZRP	수성, 바로 사용 (인산지르코늄계)	프레스 성형으로 형상 제작	1400℃ 에서 고밀도로 소결 — 열팽창이 용융 실리카만큼 매우 작음
BN EsoCera Clay	BN(질화붕소)을 많이 넣은 클레이	손 · 프레스 성형 (일반 도자기 점토와 똑같이)	건조 후 대기 중 1000℃ 에서 30분 유지하면 단단히 결합

요령 — BN EsoCera Clay 는 일반 세라믹 점토를 다뤄 본 분이라면 같은 방식으로 쓰면 되고, 구운 뒤에도 BN 의 좋은 성질이 그대로 남습니다.

2. 슬립 — 석고 틀에 부어 만드는 BN 성형체

BN EsoCera Slip은 BN 을 넣은 주입 성형용 슬립(흙물)입니다.⁠‌‌‌‌‌‌‌⁠ 일반 슬립 캐스팅과 똑같이 석고 틀에 부으면 잘 떨어지고 모양도 잘 유지되며, 처음 말리면 가죽처럼 단단한(레더 하드) 상태가 되고, 소성하면 튼튼하게 결합된 BN 성형체가 됩니다. 거의 모든 모양을 만들 수 있습니다.

3. 석고형 분말 — 물만 섞어 굳히기

이트리아 또는 이트리아-지르코니아 분말 혼합물로, 물만 넣고 저으면 석고(Plaster of Paris)처럼 굳습니다.⁠‌‌‌‌‌‌‌⁠ 말린 것은 다공질 세라믹이 되며, 필요하면 마른 뒤 깎거나 사포로 다듬을 수 있습니다.

PlasterMix YY — 이트리아만으로 된 석고형 분말
PlasterMix ZY — 이트리아계 석고형 분말
쓰임 : 실리콘 틀에 부어 정밀 주조(인베스트먼트) 몰드나 다공질 형상 제작, 내화 벽돌에 미장(스타코)처럼 바르기

4. 퍼티(스패클링) — 메우고 고치기

바로 쓰는 수성 내화 퍼티로, 일반 벽 보수용 퍼티처럼 퍼티 칼 · 흙손 · 주걱으로 세라믹 부품에 발라 메우거나 보수합니다.⁠‌‌‌‌‌‌‌⁠ 바르고 말리거나 소성한 뒤에는 사포로 갈거나 긁어 다듬을 수 있습니다.

SpackleKote Y — 이트리아 함유 퍼티
SpackleKote Z — 지르코니아 함유 퍼티

5. 기계 가공용 고온 세라믹 (Z-MARC)

Z-MARC(Machinable Advanced Refractory Ceramic)는 둥근 덩어리(퍽, puck) 형태로 공급되며, 일반 초경 팁 공구로 절단 · 선반 · 밀링 · 드릴 · 나사 가공 · 탭 · 연마할 수 있어 거의 모든 고온 부품을 만들 수 있습니다.⁠‌‌‌‌‌‌‌⁠ 고엔트로피 세라믹과 비슷한 조성입니다.

다른 가공용 세라믹과 달리 1200℃ 까지 모든 분위기에서 매우 안정하고, 고온에서도 강도를 유지하며 크리프(고온에서 서서히 늘어나는 변형)나 변형이 없습니다. 거의 완전 치밀해 가스가 나오지 않고(아웃개싱 없음), 전기 절연성과 절연 파괴 전압이 뛰어나 전기 부품에 알맞습니다.

6. 세라믹 와플 만들기 — 프레스 성형 후 열 고정(PFHS)

소성한 세라믹 ‘와플’은 다른 부품을 열처리 · 소성할 때 세터 플레이트(받침판)나 분리용 조각으로 쓸 수 있습니다.⁠‌‌‌‌‌‌‌⁠ 다공질이라 단열 성능이 좋습니다. 소성한 와플 위에 Y Aerosol · Z Aerosol · A Aerosol(또는 Y · Z · A Aerosol Brushable)로 이트리아 · 지르코니아 · 알루미나 코팅을 하면 더 안정해집니다.

시험에 쓴 기계는 가정용 미니 와플 메이커(DASH, 4인치 틀)이며, 재료는 수성 세라믹 퍼티 Cera Mastic입니다.

와플 판에 식용유(카놀라유 등)를 미리 발라 잘 떨어지게 합니다.⁠‌‌‌‌‌‌‌⁠ 전원을 꽂고 초록 불이 꺼질 때까지 기다립니다(판 온도 약 179~182℃).
Cera Mastic 약 140 g 을 달궈진 판 위에 올리고 뚜껑을 살며시 닫아 고르게 퍼지게 합니다. 몇 분간 뚜껑을 눌러 주면 와플 무늬가 잘 찍힙니다.
김이 멈출 때까지, 그리고 몇 분 더 가열합니다. 보통 10~15분 정도 가열했습니다.
전원을 뽑고 실온까지 완전히 식힙니다(약 1시간).
‘세라믹 와플’을 조심스럽게 꺼냅니다.
건조기에 몇 시간(보통 1~2시간) 넣어 휘발분을 날립니다.
로(爐) 또는 가마에 넣어 1300℃(2372℉, 제게르콘 10~12)에서 1시간 소결합니다. 수축이 적어 다공질로 남아 단열 성능이 좋고, 다루기에 충분히 단단하며 쇠붙이로 두드리면 도자기 같은 맑은 소리가 납니다.

다른 재료로 시험한 결과 (간단 시험)	내용
RefClay Y⁠‌‌‌‌‌‌‌⁠	약 150 g 으로 틀을 채우고 같은 순서로 진행 → 단단한 와플이 되지만 평평한 부분에 약간 금이 감. 묽게 하거나 순서를 조정하면 나아질 수 있음. RefClay Z · RefClay ZRP도 대안
Zirconia CeraCast Powder	시판 완제품 와플 믹스 32 g + Zirconia CeraCast Powder 40 g + 식용유 10 g + 물 42 g 을 섞어 2단계부터 진행 → 다공질 와플이 되지만 아주 단단하지는 않음(쓸 만한 수준). Yttria CeraCast Powder도 대안
일반 세라믹 코팅 (Zircwash, Zypcoat ALT)	권장하지 않음 — 결과물이 가루처럼 부스러짐

원문 사진 설명에는 1300℃ 소성 후 선수축 약 15% 로 적혀 있습니다(본문은 ‘수축이 적다’고 표현).

요령 — Cera Mastic 에 물을 약 20 wt% 섞어 묽게 하면 무늬가 더 잘 채워질 수 있습니다. 물만 섞어 반죽처럼 만드는 Cera Mastic DMX 분말로도 같은 순서로 만들 수 있습니다.

주의 — 와플 믹스를 쓰는 방법(위 표 2 · 3번째)은 소성할 때 연기와 냄새가 많이 나므로 환기가 아주 잘 되는 곳에서만 하십시오. 만드는 동안 나오는 증기 · 김을 들이마시지 말고, 뜨거운 판(약 179~182℃)과 김에 닿지 않게 하십시오. 사용 전 각 재료의 물질안전보건자료(MSDS)를 확인하십시오. 산업용 전용이며, 용도에 맞는지는 사용자가 판단해야 합니다.

7. 저열팽창 ZRP — 열충격에 매우 강한 인산지르코늄

열팽창이 거의 0 에 가까운(NZTE) 재료는 오래전부터 관심 대상이었습니다.⁠‌‌‌‌‌‌‌⁠ 용융 실리카, β-유크립타이트, β-스포듀민, 코디어라이트 같은 규산염이 대표적이고, 오히려 가열하면 줄어드는(음의 열팽창) 인산염 · 텅스텐산염도 알려져 있습니다. 특히 인산염 계열에서 NASICON, 나트륨 인산지르코늄(NZP) 같은 알칼리 첨가 인산지르코늄, 바륨 · 스트론튬으로 바꾼 인산지르코늄(1500℃ 까지 사용 가능하다고 보고) 등이 연구되었습니다.

목표는 한 가지 상(단일상)으로 된 단순한 조성으로 용융 실리카에 가까운 열팽창을 얻는 것이었습니다. 열팽창이 작으면 급히 가열 · 냉각해도 열응력이 작아 열충격에 강해집니다. 알칼리를 넣지 않은 인산지르코늄 조성을 개발했으며, X선 회절과 주사전자현미경(EDS 분석)으로 단일상임을 확인했습니다. 그 결과 아래 두 제품이 나왔습니다.

3D Cer-Paste ZRP — 압출식(PDM) 3D 프린터용 용제형 세라믹 페이스트. 대기 중 1400~1500℃ 에서 소결하며 소결 온도까지 사용 가능. 완전 치밀하게 소결한 출력물을 800℃ 에서 물에 급랭하는 시험을 15회 반복해도 눈에 띄는 변화나 손상이 없었습니다.
RefClay ZRP — 수성 클레이. 클레이 성형법으로 프레스 · 몰드 성형해 1400℃ 에서 거의 완전 치밀하게 소결하며 1500℃ 까지 사용 가능. 밀도가 2.75 g/cm3 로 낮아 항공우주 분야에도 검토할 만합니다.

항목	ZRP	용융 실리카
열팽창계수 (실온~1000℃)⁠‌‌‌‌‌‌‌⁠	0.4 × 10⁻⁶/℃	0.5 × 10⁻⁶/℃
최고 사용 온도	1500℃	약 1100℃ (실투 — 유리가 결정화되는 현상 때문에)
소결 밀도	2.75 g/cm3	—

시험편 : RefClay ZRP 로 막대를 주조해 1400℃ 에서 30분 소결(완전 치밀). 외부 시험기관(Orton) 측정 보고서에는 20~1000℃ 열팽창계수 ZRP 0.55 × 10⁻⁶/℃, 용융 실리카 0.54 × 10⁻⁶/℃ 로 적혀 있습니다.

참고 — 3D Cer-Paste ZRP 는 다른 자료에서 대기 중 1500℃ 에서 약 90% 이상 밀도로, 1600℃ 이하에서 완전 치밀하게 소결되며, 800℃ 급가열 → 물 급랭 → 다시 800℃ 재가열을 8회 반복해도 견뎠다고 되어 있습니다. 용융 실리카용으로 만든 Vitragard FS로 부품끼리 붙일 수 있다는 점에서 열팽창이 용융 실리카와 비슷할 것으로 보고 측정하게 되었습니다.