탄화규소 세라믹의 특징
2024-12-12
1. 무압 소결: 1974년 미국 GE 회사는 고순도 β-SiC 미세 분말에 소량의 B와 C를 동시에 첨가하여 무압 소결 공정을 통해 2020℃에서 고밀도 SiC 세라믹을 성공적으로 얻었다. 현재 이 공정은 SiC 세라믹을 제조하는 주요 방법이 되었다. 더 최근에는 연구자들이 아미크론 SiC 분말에 Al2O3와 Y2O3를 첨가하여 1850℃에서 2000℃의 온도에서 SiC의 밀집 소결을 실현하였다. 소결 온도가 낮고 미세 구조가 뚜렷하게 세분화되어 있어 강도와 인성이 크게 개선되었다.
2. 열압 소결: 50년대 중반, 미국 Norton 회사는 B, Ni, Cr, Fe, Al 등의 금속 첨가물이 SiC 열압 소결에 미치는 영향을 연구하기 시작했다. 실험 결과 Al과 Fe가 SiC 열압 밀집화에 더 효과적인 첨가제임을 보여주었다. 연구자들은 Al2O3를 첨가제로 사용하여 열압 소결 공정을 통해 SiC의 밀집화를 실현하였으며, 그 메커니즘은 액상 소결이라고 생각하였다. 또한, 연구자들은 각각 B4C, B 또는 B와 C, Al2O3와 C, Al2O3와 Y2O3, Be, B4C와 C를 첨가제로 사용하여 열압 소결을 통해 밀집 SiC 세라믹을 얻었다.
3. 열등압 소결: 최근 몇 년 동안 SiC 세라믹의 기계적 성능을 더욱 향상시키기 위해 연구자들은 SiC 세라믹의 열등압 공정에 대한 연구를 진행하였다. 연구자들은 B와 C를 첨가제로 사용하여 열등압 소결 공정을 통해 1900℃에서 고밀도 SiC 소결체를 얻었다. 더 나아가, 이 공정을 통해 2000℃와 138MPa의 압력 하에 첨가제 없는 SiC 세라믹의 밀집 소결을 성공적으로 실현하였다. 연구 결과 SiC 분말의 입자 크기가 0.6μm보다 작을 때, 어떤 첨가제도 도입하지 않고 열등압 소결을 통해 1950℃에서 밀집화가 가능하다는 것을 보여주었다.
4. 반응 소결: SiC의 반응 소결법은 미국에서 더 일찍 연구에 성공하였다. 반응 소결의 공정 과정은 먼저 α-SiC 분말과 흑연 분말을 비율에 맞게 혼합한 후, 건조 압축, 압출 또는 주입 등의 방법으로 다공성 성형체를 만든다. 고온에서 액체 Si와 접촉하여 성형체 내의 C와 침투한 Si가 반응하여 β-SiC를 생성하고 α-SiC와 결합하며, 과량의 Si가 기공을 채워 무공극 밀집 반응 소결체를 얻는다. 반응 소결 SiC는 일반적으로 8%의 자유 Si를 포함한다. 따라서 Si의 침투를 완전히 보장하기 위해 성형체는 충분한 기공도를 가져야 한다. 일반적으로 초기 혼합물에서 α-SiC와 C의 함량, α-SiC의 입도 분포, C의 형태와 입도, 성형 압력 등을 조정하여 적절한 성형체 밀도를 얻는다.
종합: 실험 결과 무압 소결, 열압 소결, 열등압 소결 및 반응 소결의 SiC 세라믹은 각기 다른 성능 특성을 가진다. 소결 밀도와 굽힘 강도에 대해 말하자면, 열압 소결과 열등압 소결 SiC 세라믹은 상대적으로 높고, 반응 소결 SiC는 상대적으로 낮다. 한편, SiC 세라믹의 기계적 성능은 소결 첨가제의 종류에 따라 다르다. 무압 소결, 열압 소결 및 반응 소결 SiC 세라믹은 강산과 강알칼리에 대해 좋은 저항력을 가지지만, 반응 소결 SiC 세라믹은 HF와 같은 초강산에 대한 내식성이 떨어진다. 고온 내성 비교 시, 온도가 900℃ 이하일 때 거의 모든 SiC 세라믹의 강도가 향상되며, 온도가 1400℃를 초과할 때 반응 소결 SiC 세라믹의 굽힘 강도가 급격히 감소한다. (이는 소결체에 일정량의 자유 Si가 포함되어 있어 일정 온도를 초과하면 굽힘 강도가 급격히 감소하기 때문이다) 무압 소결과 열등압 소결의 SiC 세라믹의 고온 내성은 주로 첨가제의 종류에 영향을 받는다.
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