일반적으로 다공질 탄화규소세라믹스의 제조공정으로는 소결온도를 낮추거나 휘스커 또는 입자크기가 큰 입자 (grit) 를 첨가하여 소결성을 저하시켜 부분 소결하는 방법, 소결첨가제를 사용하지 않고 2100℃ 이상의 고온에서 SiC 입자의 necking 을 일으키는 재결정화 방법, ...
일반적으로 다공질 탄화규소세라믹스의 제조공정으로는 소결온도를 낮추거나 휘스커 또는 입자크기가 큰 입자 (grit) 를 첨가하여 소결성을 저하시켜 부분 소결하는 방법, 소결첨가제를 사용하지 않고 2100℃ 이상의 고온에서 SiC 입자의 necking 을 일으키는 재결정화 방법, 고분자 미세구 (microbeads) 와 같이 고온에서 분해되는 기공형성 전구체를 첨가하는 방법, 폴리우레탄 폼 (foam) 에 탄화규소 슬러리를 코팅하여 폴리우레탄 폼을 분해시켜 다공질 탄화규소 세라믹스를 제조하는 방법, 반응소결법 및 탄소열환원법 등이 보고되었다. 본 연구에서는 고온가스필터로 응용하기 위한 다공질 뮬라이트 결합 탄화규소 (mullite-bonded silicon carbide, MBSC) 세라믹스를 제조하기 위해서 탄화규소 입자에 Al 을 포함하는 원료 및 기공형성제를 첨가하여 성형체를 제조한 후, 기공형성제를 제거하는 공정과 열처리 공정을 거쳐, 열처리 공정 중에 SiC 의 산화에 의해 형성된 SiO2 상과 Al 을 포함하는 원료간의 반응으로 뮬라이트 상이 합성되고 합성된 뮬라이트 상이 탄화규소 입자를 결합하는 방법을 이용하여 다공질 MBSC 세라믹스를 제조하였다. 출발원료로 대립 SiC (SiC 1, SiC 2), submicron SiC, Al2O3 분말과 기공형성제로 ~20 ㎛ 크기의 단일 분포를 갖는 고분자 미세구와 소결첨가제 (SrO, MgO, CaO) 를 사용하여, 성형체를 1350~1500℃ 의 온도범위에서 2 시간 동안 소결함으로써 30~66% 의 기공률 범위를 갖는 다공질 MBSC 세라믹스를 제조할 수 있었다. 제조된 다공질 MBSC 세라믹스의 기공률은 기공형성제로서 첨가된 고분자 미세구의 함량이 증가할수록 증가하였고 소결첨가제로서 알칼리 토금속 산화물이 첨가될 경우 감소하였다. MBSC 세라믹스의 곡강도는 기공률과 반대의 경향을 나타냈다. 다공질 MBSC 세라믹스의 곡강도는 SiC 1 분말 (~90 ㎛) 과 submicron SiC 분말을 사용했을 때, 기공률 ~46% 에서 ~44 MPa 이었고, SiC 1 분말을 사용했을 때, 기공률 ~41% 에서 ~42 MPa 이었으며, SiC 2 분말 (~25 ㎛) 을 사용했을 때, 기공률 ~47% 에서 ~54 MPa 이었다. 한편, Ding 등이 보고한 다공질 MBSC 세라믹스는 44% 의 기공률에서 28 MPa 의 곡강도를 나타내었는데, 본 연구의 결과는 46% 의 기공률에서 44 MPa 의 우수한 곡강도를 나타냈다. 또한, 소결온도 범위가 1350~1450℃ 로 기존에 보고된 연구들 (1450~1550℃) 보다 100℃ 정도 낮은 온도에서 제조가 가능하기 때문에 저가의 생산비용으로 우수한 강도의 제품을 생산할 수 있다는 이점이 있다.
일반적으로 다공질 탄화규소 세라믹스의 제조공정으로는 소결온도를 낮추거나 휘스커 또는 입자크기가 큰 입자 (grit) 를 첨가하여 소결성을 저하시켜 부분 소결하는 방법, 소결첨가제를 사용하지 않고 2100℃ 이상의 고온에서 SiC 입자의 necking 을 일으키는 재결정화 방법, 고분자 미세구 (microbeads) 와 같이 고온에서 분해되는 기공형성 전구체를 첨가하는 방법, 폴리우레탄 폼 (foam) 에 탄화규소 슬러리를 코팅하여 폴리우레탄 폼을 분해시켜 다공질 탄화규소 세라믹스를 제조하는 방법, 반응소결법 및 탄소열환원법 등이 보고되었다. 본 연구에서는 고온가스필터로 응용하기 위한 다공질 뮬라이트 결합 탄화규소 (mullite-bonded silicon carbide, MBSC) 세라믹스를 제조하기 위해서 탄화규소 입자에 Al 을 포함하는 원료 및 기공형성제를 첨가하여 성형체를 제조한 후, 기공형성제를 제거하는 공정과 열처리 공정을 거쳐, 열처리 공정 중에 SiC 의 산화에 의해 형성된 SiO2 상과 Al 을 포함하는 원료간의 반응으로 뮬라이트 상이 합성되고 합성된 뮬라이트 상이 탄화규소 입자를 결합하는 방법을 이용하여 다공질 MBSC 세라믹스를 제조하였다. 출발원료로 대립 SiC (SiC 1, SiC 2), submicron SiC, Al2O3 분말과 기공형성제로 ~20 ㎛ 크기의 단일 분포를 갖는 고분자 미세구와 소결첨가제 (SrO, MgO, CaO) 를 사용하여, 성형체를 1350~1500℃ 의 온도범위에서 2 시간 동안 소결함으로써 30~66% 의 기공률 범위를 갖는 다공질 MBSC 세라믹스를 제조할 수 있었다. 제조된 다공질 MBSC 세라믹스의 기공률은 기공형성제로서 첨가된 고분자 미세구의 함량이 증가할수록 증가하였고 소결첨가제로서 알칼리 토금속 산화물이 첨가될 경우 감소하였다. MBSC 세라믹스의 곡강도는 기공률과 반대의 경향을 나타냈다. 다공질 MBSC 세라믹스의 곡강도는 SiC 1 분말 (~90 ㎛) 과 submicron SiC 분말을 사용했을 때, 기공률 ~46% 에서 ~44 MPa 이었고, SiC 1 분말을 사용했을 때, 기공률 ~41% 에서 ~42 MPa 이었으며, SiC 2 분말 (~25 ㎛) 을 사용했을 때, 기공률 ~47% 에서 ~54 MPa 이었다. 한편, Ding 등이 보고한 다공질 MBSC 세라믹스는 44% 의 기공률에서 28 MPa 의 곡강도를 나타내었는데, 본 연구의 결과는 46% 의 기공률에서 44 MPa 의 우수한 곡강도를 나타냈다. 또한, 소결온도 범위가 1350~1450℃ 로 기존에 보고된 연구들 (1450~1550℃) 보다 100℃ 정도 낮은 온도에서 제조가 가능하기 때문에 저가의 생산비용으로 우수한 강도의 제품을 생산할 수 있다는 이점이 있다.
Porous mullite-bonded SiC (MBSC) ceramics were fabricated at temperatures ranging from 1350 to 1500℃ for 2 h using coarse silicon carbide (SiC, ~90 ㎛ and ~25 ㎛), submicron SiC (~0.5 ㎛), alumina (Al2O3), additives (MgO, CaO, and SrO), and poly (methyl methacrylate-coethylene glycol dimethacrylate) (P...
Porous mullite-bonded SiC (MBSC) ceramics were fabricated at temperatures ranging from 1350 to 1500℃ for 2 h using coarse silicon carbide (SiC, ~90 ㎛ and ~25 ㎛), submicron SiC (~0.5 ㎛), alumina (Al2O3), additives (MgO, CaO, and SrO), and poly (methyl methacrylate-coethylene glycol dimethacrylate) (PMMA) microbeads. The effects of additive composition, template content, and sintering temperature on porosity, pore morphology, and flexural strength were investigated. The addition of alkaline earth metal oxides was beneficial for lowering the sintering temperature and improving the flexural strength. In particular, SrO is a very efficient sintering additive for improving the flexural strength by reinforcing the strut, compared to the reported Y2O3 additive and other alkaline earth metal oxides. The porosity increased with increasing the template content at the same sintering temperature. The flexural strength showed maximum after sintering at 1450℃/2h (when ~90 ㎛ SiC were used) and 1400℃/2h (when ~25 ㎛ SiC were used) due to small pores and dense struts. By controlling the template content and sintering temperature, it was possible to produce porous MBSC ceramics with porosities ranging from 30% to 66%. Typical flexural strength of ~44 MPa was obtained at ~46% porosity (when 90 ㎛ and submicron SiC powders were used), ~42 MPa was obtained at ~41% porosity (when 90 ㎛ SiC powder was used), ~54 MPa was obtained at ~47% porosity (when 25 ㎛ SiC powder was used).
Porous mullite-bonded SiC (MBSC) ceramics were fabricated at temperatures ranging from 1350 to 1500℃ for 2 h using coarse silicon carbide (SiC, ~90 ㎛ and ~25 ㎛), submicron SiC (~0.5 ㎛), alumina (Al2O3), additives (MgO, CaO, and SrO), and poly (methyl methacrylate-coethylene glycol dimethacrylate) (PMMA) microbeads. The effects of additive composition, template content, and sintering temperature on porosity, pore morphology, and flexural strength were investigated. The addition of alkaline earth metal oxides was beneficial for lowering the sintering temperature and improving the flexural strength. In particular, SrO is a very efficient sintering additive for improving the flexural strength by reinforcing the strut, compared to the reported Y2O3 additive and other alkaline earth metal oxides. The porosity increased with increasing the template content at the same sintering temperature. The flexural strength showed maximum after sintering at 1450℃/2h (when ~90 ㎛ SiC were used) and 1400℃/2h (when ~25 ㎛ SiC were used) due to small pores and dense struts. By controlling the template content and sintering temperature, it was possible to produce porous MBSC ceramics with porosities ranging from 30% to 66%. Typical flexural strength of ~44 MPa was obtained at ~46% porosity (when 90 ㎛ and submicron SiC powders were used), ~42 MPa was obtained at ~41% porosity (when 90 ㎛ SiC powder was used), ~54 MPa was obtained at ~47% porosity (when 25 ㎛ SiC powder was used).
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