산화물계의 액상소결시 액상량을 변수로 하여 입자형성이 입자성장 거동에 미치는 영향을 고찰하였다. 산화물계 모델로 구형입자의 경우는 MgO$CaMgSiO_{4}$계를 선택하였으며, 각진입자의 경우는 $Al_{2}O_{3}$/ $CaAl_{2}Si_{2}O_{8}$계를 선택하였다. 구형입자인 MgO의 경우 액상량 증가에 따라 입자크기가 감소하였으나,각진입자인 $Al_{2}O_{3}$ 입자의 경우는 계면지배과정에 의해 성장하는 반면, 거친 고상/액상계면을 지닐 것으로 예상되는 구형 MgO입자의 경우는 확산지배과정에 의해 성장하였다.
산화물계의 액상소결시 액상량을 변수로 하여 입자형성이 입자성장 거동에 미치는 영향을 고찰하였다. 산화물계 모델로 구형입자의 경우는 MgO$CaMgSiO_{4}$계를 선택하였으며, 각진입자의 경우는 $Al_{2}O_{3}$/ $CaAl_{2}Si_{2}O_{8}$계를 선택하였다. 구형입자인 MgO의 경우 액상량 증가에 따라 입자크기가 감소하였으나,각진입자인 $Al_{2}O_{3}$ 입자의 경우는 계면지배과정에 의해 성장하는 반면, 거친 고상/액상계면을 지닐 것으로 예상되는 구형 MgO입자의 경우는 확산지배과정에 의해 성장하였다.
The effect of grain shape on the grain growth behavior of oxide system was investigated as afunction of liquid content during liquid phase sintering. As a model system, the solid grains of $Al_{2}O_{3}$ and MgO were selected during liquid phase sintering, i.e. faceted shape of $Al_{2...
The effect of grain shape on the grain growth behavior of oxide system was investigated as afunction of liquid content during liquid phase sintering. As a model system, the solid grains of $Al_{2}O_{3}$ and MgO were selected during liquid phase sintering, i.e. faceted shape of $Al_{2}O_{3}$ in $CaAl_{2}Si_{2}O_{8}$ liquid phase and spherical shape of MgO in $CaMgSiO_{4}$ liquid phase. The average grain size of MgO with spherical shape was decreased with increasing the liquid phase content, whereas that of $Al_{2}O_{3}$ with faceted shape was independent of liquid phase content. In the case of $Al_{2}O_{3}$ grains with faceted shape, which interfaces are expected to be atomically flat, are likely to grow by the interfacial reaction controled process. Whereas, in the case of MgO grains with spherical shape, which interface are expected to be atomically rough, are likely to grow by the diffusion controlled process.
The effect of grain shape on the grain growth behavior of oxide system was investigated as afunction of liquid content during liquid phase sintering. As a model system, the solid grains of $Al_{2}O_{3}$ and MgO were selected during liquid phase sintering, i.e. faceted shape of $Al_{2}O_{3}$ in $CaAl_{2}Si_{2}O_{8}$ liquid phase and spherical shape of MgO in $CaMgSiO_{4}$ liquid phase. The average grain size of MgO with spherical shape was decreased with increasing the liquid phase content, whereas that of $Al_{2}O_{3}$ with faceted shape was independent of liquid phase content. In the case of $Al_{2}O_{3}$ grains with faceted shape, which interfaces are expected to be atomically flat, are likely to grow by the interfacial reaction controled process. Whereas, in the case of MgO grains with spherical shape, which interface are expected to be atomically rough, are likely to grow by the diffusion controlled process.
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문제 정의
일반적으로 각진 입자의 액상소결시 정확한 입자성장지수를 얻기가 어렵다고 보고되고 있으나[5], 이는 소결계에 의존 하는 문제로서 본 연구에서 제시된 AbQs/CaALSim계와 같이 Al?。?와 평형 공정조성을 이루는 CaAljSizOgel 경우에는 냉각시 석출에 의한 고상의 싱변화나 액상조성 변화 등이 발생되지 않으므로 LSW이론에서 제시된 계면반응 입 자성장 거동을 나타내는 것으로 판단된다. 따라서, 이러한 ALQi의 액상소결에 따른 입자성장 거동의 결과는 LSW이 론에서 제시된 입자성장식을 통한 액상량에 따른 각진입자 의 성장거동을 조사할 수 있는 실험적 근거를 제시하는 것이다.
1은 소결 시간에 따른 MgO의 입지 성장 속도의 관계를 나타내는 그림으로, MgO의 입자 성장 거동은 소결 시간에 따라 증가하며 입자 성장지수(n:는 3으로 LSW이론에서 예측된 확산지배 입자 성장 거동을 나타내고 있다. 따라서, 이러한 MgO의 액상 소결에 따른 입자 성장 거동의 결과는 LSW이론에서 제시된 입자 성장 식을 통한 액상량에 따른 입자 모양 및 크기 변화를 조사할 수 있는 실험적인 근거를 제시하는 것이다.
본 연구에서는 산화물계의 액상소결시 입자형상이 입자성 장거동에 미치는 영향을 액상량 변화를 통해 분석하고자 하였다. 산화물계에서는 일반적으로 각진 입자형상을 지닌 경우가 많으므로 대표적인 계로 ALA/CaAbSijA계를 선 택하였으며 .
구형 입자형상을 지닌 대표적인 계로 MgO/ CaMgSiQ계를 선택하였다. 이러한 두 산화물계의 액상소 결시 소결온도, 소결시간 및 액상량을 변화하여 LSW 이 론에서 제시된 확산제어 성장과 계면제어 성장을 계면구조를 근거로 하여 입자성장 거동에 미치는 입자형상의 영향을 고찰하고자 하였다.
제안 방법
본 연구에서는 산화물의 액상소결시 입자성장거동을 입자 형상과 액상량의 변화를 통해 분석한 결과 다음과 같은 결 론을 얻었다. 구형 입자를 지닌 MgO/CaMgSiQ계에서는 액상량 증가에 따라 입자크기가 감소하였으며 입자성장 속 도지수가 39로 되어 LSW이론에서 예측된 확산제어 입자 성장 거동을 나타내었다.
소결된 시편은 1 pm까지 다이아몬드 paste 를 사용하여 순차적으로 미세 연마한후 엣칭하였다. 시편의 엣칭으로 화학적 방법과 열적 방법을 동시에 이용하였다. 이는 화학적인 방법을 사용할 경우 액상과 고상 입자간의 계면을 명확히 구분힐수 있는 장점이 있으나 고상입자간의 계면을 확인할 수 없으므로, 열간엣칭법에 의하여 고상입자 간의 계면을 명확히 관찰할 수 있도록 하였다.
분말을 몰비로 1:1:1로 혼합하여 ball-mill에서 48시간 동안 혼합하여 성형한 후 1400℃에서 2시간 동안 하소하여 제조하였다. 액상량 변화는 MgO 분말에 첨가되는 CaMgSiO4 분말의 부피분률을 기준으로 하여 첨가한 후 24시간 동안 ball-milling 하였다.
시편의 미세구조 관찰은 광학 현미경과 전자주사 현미경 (SEM, LEO 420)을 사용하였으며 입자크기 분석은 image analyser(Buhler Opnimet 3)를 이용하여 Feret경을 기준으로 하여 계산한 후 평균 입자 크기를 구하였다. 입자크기 측정은 1000~1500개의 입자들을 기준으로 하여 digital image processing 방법으로 구하였다.
대상 데이터
산화물계에서는 일반적으로 각진 입자형상을 지닌 경우가 많으므로 대표적인 계로 ALA/CaAbSijA계를 선 택하였으며 .구형 입자형상을 지닌 대표적인 계로 MgO/ CaMgSiQ계를 선택하였다. 이러한 두 산화물계의 액상소 결시 소결온도, 소결시간 및 액상량을 변화하여 LSW 이 론에서 제시된 확산제어 성장과 계면제어 성장을 계면구조를 근거로 하여 입자성장 거동에 미치는 입자형상의 영향을 고찰하고자 하였다.
본 실험에 사용된 원료 분말은 MgO, CaCO3, SiQ였으며, CaMgSiQ는 MgO, CaCO3, SiO2 분말을 몰비로 1:1:1로 혼합하여 ball-mill에서 48시간 동안 혼합하여 성형한 후 1400℃에서 2시간 동안 하소하여 제조하였다. 액상량 변화는 MgO 분말에 첨가되는 CaMgSiO4 분말의 부피분률을 기준으로 하여 첨가한 후 24시간 동안 ball-milling 하였다.
본실험에 사용된 원료 분말은 A12O3, CaCO3, SiQ였으 며, Anorthite(CaAI2Si2O8)fe A12O3, CaCO3, SiO2 분말 을 몰비로 1:1: 2로 혼합하여 ball-mill에서 48시간 동안 혼합한후 성형한후 1450℃에서 5冲간 동안 하소하여 제조 하였다. 액상량 변화는 A12O3 분말에 첨가되는 anorthite 분말의 부피분률을 기준点- 히-여 첨가한 후 2#]간 동안 ball-milling 하였다.
데이터처리
화학 엣칭방법은 끓는 인산(H3PO4)에서 30초간 하였으며, 열간엣칭은 1400℃에서 30분간 행하였다. 시편의 미세구조 관찰은 광학 현미경과 전자주사 현미경 (SEM, LEO 420)을 사용하였으며 입자크기 분석은 image analyser(Buhler Opnimet 3)를 이용하여 Feret경을 기준으로 하여 계산한 후 평균 입자 크기를 구하였다. 입자크기 측정은 1000~1500개의 입자들을 기준으로 하여 digital image processing 방법으로 구하였다.
이론/모형
시편의 엣칭으로 화학적 방법과 열적 방법을 동시에 이용하였다. 이는 화학적인 방법을 사용할 경우 액상과 고상 입자간의 계면을 명확히 구분힐수 있는 장점이 있으나 고상입자간의 계면을 확인할 수 없으므로, 열간엣칭법에 의하여 고상입자 간의 계면을 명확히 관찰할 수 있도록 하였다. 화학 엣칭방법은 끓는 인산(H3PO4)에서 30초간 하였으며, 열간엣칭은 1400℃에서 30분간 행하였다.
성능/효과
본 연구에서는 산화물의 액상소결시 입자성장거동을 입자 형상과 액상량의 변화를 통해 분석한 결과 다음과 같은 결 론을 얻었다. 구형 입자를 지닌 MgO/CaMgSiQ계에서는 액상량 증가에 따라 입자크기가 감소하였으며 입자성장 속 도지수가 39로 되어 LSW이론에서 예측된 확산제어 입자 성장 거동을 나타내었다. 한편, 각진 입자형상을 지닌 Ai2oy CaAbSi&a계에서는 액상량 증가에 따른 입자크기 변화가 없었으며 입자성장 속도지수는 2로 되어 LSW이론에서 예 측된 계면제어 입자성장 거동을 나타내었다.
그러나 실제 액상소결체의 미세 구조 분석시에 입자성장 지수는 정확한 정수 값을 얻기 어 려우며 지수값의 변화폭은 LSW이론에서 예측되는 값과 다 르게 나올수 있다. 따라서 지수값에 의해 입자성장 기구를 규명하는 것보다는 액상량 변화에 따른 입자크기 변화를 통해 입자성장 기구를 규명하는 것이 바람직할 것으로 판단된다. 즉, 확산제어 성장시 액상량의 증가는 입자간의 확 산거리를 증가시킴으로 액상량의 증가시 입자성장속도 감소 가 예상되는 반면 계면 제어 성장시에는 확산거리 보다는 계면에서의 반응속도에 의존함으로 액상량의 변화시 균일한 입자성장 속도를 예상할 수 있다.
LSW 이론이 적용되기 위해서는 고상 또는 액상의 부피 및 조성이 소결조건에 따라 변하지 않아야 하며, 고상입자 내 용질원자의 분포가 균일해서 냉각중 석출이 일어나지 않는 정상적인 입자성장이 일어나는 경우에만 적용된다. 본 연구에서 시도된 MgO/CaMgSiC)4계는 이러한 요구조건을 충족하며, 따라서 액상량 증가에 따른 확산거리 증가로 인해 입자성장 속도가 감소한다는 LSW 이론을 만족시키는 것으로 판단된다. 액상량의 부피분률이 10 % 이하로 작은 경우 부족한 액상량으로 인하여 입자들 간에 상호 충돌로 구형에서 벗어난 입자들이 관찰되었으니-, 비정상 입자성장은 관찰되지 않았다.
따라서 지수값에 의해 입자성장 기구를 규명하는 것보다는 액상량 변화에 따른 입자크기 변화를 통해 입자성장 기구를 규명하는 것이 바람직할 것으로 판단된다. 즉, 확산제어 성장시 액상량의 증가는 입자간의 확 산거리를 증가시킴으로 액상량의 증가시 입자성장속도 감소 가 예상되는 반면 계면 제어 성장시에는 확산거리 보다는 계면에서의 반응속도에 의존함으로 액상량의 변화시 균일한 입자성장 속도를 예상할 수 있다.
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