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無機材料技術〔序說〕
무기재료는 금속·요업·전자·기타 재료로 분류할 수 있으며, 일반적으로 비중·강도가 크고 내열성·내식성이 큰 것이 특징이다.
'금속재료'는 대부분 용도에 맞게 성질을 변화시킨 합금으로 사용하며 철과 비철로 구분한다. 현재 공업적 용도의 대부분은 탄소를 주합금 성분으로 하는 탄소강(炭素鋼)으로서, 저탄소강은 구조(構造)용으로, 또한 고탄소강은 일반 절삭(切削)공구인 면도칼·드릴 등에 이용된다.
탄소강에
니켈·크롬·망간·규소·몰리브덴·붕소·구리·인· 유황 등 특수원소를 소량 가한 합금강(合金鋼)은 우수한 성질을 요구하는 기계구조 부품으로 사용된다. 주철(鑄鐵)은 탄소를 1∼4% 함유하고 그 외에 규소·망간·유황·인 등을 소량 함유한 다성분계 합금으로 여러 가지 모양을 주물로 부어 만들 수 있어 편리하다. 비철금속인 구리(Cu)는 전성(展性)·전기전도도가 좋아 전선으로 많이 쓰이지만 그 합금 또한 이용도가 크다. 구리와 아연 합금인 황동(黃銅)은 전연성(展延性)이 크고 내식성(耐蝕性)이 강하며 가공이 편리하여 장식류·식기류 등에 이용되어 왔고, 황동에 망간·철·알루미늄·니켈·주석 등을 가한 복잡한 합금은 해수의 침식에 강해 선박부품·스크루 등에 이용되고 있다. 청동(靑銅)은 구리와 주석을 주성분으로 하는 합금으로 강도가 크고 연성도 좋으며 내식성·내마모성이 우수하여 예로부터 포신(砲身)의 재료로 사용되었고, 인청동(燐靑銅)은 경도가 커서 스프링 재료로 쓴다.
제1차대전 후 항공기의 발달로 가볍고 강한 재료의 필요에 따라 알루미늄·마그네슘 등의 경금속합금(輕金屬合金)이 발달하였다. 순수한 알루미늄은 고압송전선 등에 사용되나 강도가 약하기 때문에 구리·마그네슘·규소·망간·크롬 등을 합금한 듀랄루민계 합금으로 만들어 항공기의 주요 재료로 사용한다.
요업재료는 규산염이 주성분이며, 규산염은 지각의 약 60%를 차지하는 풍부한 자원이다.
도기 및 자기의 제조는 점토·고령토·장석·규석 등을 혼합하여 곱게 분쇄한 후 성형·소성하며, 소지(素地) 표면에 유약(釉藥)을 발라 구워 광택이나 색을 나타내기도 한다. 도자기는 고열에 견디고 내식성과 강도·경도가 크며 전기절연성이어서 식기·완구를 만들며, 위생도기·전기애자·타일·붉은 벽돌·테라코타 등 건축재료와 이화학기구로 쓰인다.
유리(glass)는 규사를 주성분으로 소다회·장석·석회석 등을 혼합·용융하여 성형하며, 광선을 잘 통과시켜 건축용 판유리·식기·병·이화학기구 등을 만든다. 유리를 급랭강화(急冷强化) 처리하면 매우 강인한 강화유리가 얻어지며, 또 최근 발명된 유리의 미결정화(微結晶化)로 이제까지 얻어지지 않은 우수한 기계적·열적 성질을 가진 유리 기구가 얻어졌다.
토목건축에 필수재료인 시멘트(cement)는 가격이 싸며 성형이 쉽고 경화력이 매우 클 뿐만 아니라, 내수성·내부성(耐腐性)을 가지고 있어 영구건조물을 만드는 데는 다른 대체품을 찾을 수 없다. 가장 많이 쓰이는 포틀랜드 시멘트와 공기중에서 경화하는 기경성 시멘트, 공기 및 물속에서 경화하는 수경성 시멘트가 있으며, 특수시멘트로서 내산(耐酸)시멘트·치과용 시멘트 등이 있다. 시멘트는 그냥 쓰기보다는 골재(骨材)를 혼합한 철근콘크리트로 쓰는 것이 대부분이다.
금속을 녹인다든가 도자기를 구울 때는 고온에 견딜 수 있고 침식을 받지 않는 재료가 필요하다. 이러한 공업재료가 내화물(耐火物)이며 벽돌로 성형해서 사용하고 주성분에 따라 여러 가지로 구분한다. 점토질·납석질 벽돌은 대개 도자기 소성로에 쓰며 마그네시아질·크롬질 벽돌은 철이나 구리를 녹이는 노(爐)에 쓴다. 규석질·고알루미나질 벽돌은 중요한 내화물이다. 융점이 2,000∼3,500℃인 산화물·탄화물·질화물(窒化物) 등과 코발트·크롬·니켈·철과 같은 금속분말과의 복합체인 서멘트(cermet)도 내열재료이며, 로켓·미사일에 필요한 내열재료로는 코발트－몰리브덴－철계 합금이나 크롬－코발트계 합금의 영역을 넘어서 산화알루미늄·산화베릴륨·산화마그네슘·산화지르코늄 등 순산화물계나 탄화물·질화물·규화물 등 초고온재료가 쓰이게 되었다.
경도가 큰 탄화규소분말이나 알루미나를 종이나 베에 접착하거나 결합제를 혼합하여 성형한 연마재(硏磨材)는 가공재료이며, 금속표면에 유리성분을 얇게 녹여붙여 금속강도와 유리의 내식성을 살린 법랑(法瑯)은 이화학용 기기로 많이 쓰인다.
전자재료의 하나인 반도체(半導體)로 형성된 트랜지스터는 진공관을 대신하여 전기통신·전자계산·제어공학 분야에 일대 혁신을 가져왔다. 트랜지스터는 진공관보다 형체가 작고 견고하며 수명이 길다. 또한 낮은 전압에서 동작하고 전력소모량이 적은 등의 여러 가지 장점을 가지고 있다. 원자로재료는 핵연료·감속재·반사재·냉각재·차폐재 등이 있는데, 강도가 좋고 밀도 및 열전도율이 크고 열팽창성이 적으며, 화학적 침식에 강해야 한다. 일반적으로 핵연료로는 탄화우라늄(UC)을 쓰며, 감속재료로는 흑연 중수(重水) 등이 쓰인다.
<文 卓 珍>
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