본 연구에서는 장균열을 가지는 Si3N4세라믹스의 균열 길이와 코팅 방법에 따르는 균열 치유 특성을 규명하였다. 약 $100{\sim}500\;{\mu}m$의 균열 길이는 24.5 ~ 98 N의 하중을 사용하여 비커스 압자를 이용하여 만들었다. 24.5 N의 하중으로 만든 단균열의 경우, $SiO_2$ 나노 콜로이드 코팅된 균열재는 모재보다 약 140 % 증가한 가장 높은 굽힘 강도를 보였지만, 장균열은 모재보다 낮은 굽힘 강도를 나타내었다. 그러나 대부분의 장균열 시험편의 굽힘 강도는 균열재보다 약간 증가하였다. 이러한 결과에 따라서, 복수 압입에 의한 $Si_3N_4$ 세라믹스의 균열 치유 특성을 코팅방법에 따라 연구하였다. 장균열 시험편의 가장 효과적인 코팅 방법은 정수압코팅방법이었다.
본 연구에서는 장균열을 가지는 Si3N4 세라믹스의 균열 길이와 코팅 방법에 따르는 균열 치유 특성을 규명하였다. 약 $100{\sim}500\;{\mu}m$의 균열 길이는 24.5 ~ 98 N의 하중을 사용하여 비커스 압자를 이용하여 만들었다. 24.5 N의 하중으로 만든 단균열의 경우, $SiO_2$ 나노 콜로이드 코팅된 균열재는 모재보다 약 140 % 증가한 가장 높은 굽힘 강도를 보였지만, 장균열은 모재보다 낮은 굽힘 강도를 나타내었다. 그러나 대부분의 장균열 시험편의 굽힘 강도는 균열재보다 약간 증가하였다. 이러한 결과에 따라서, 복수 압입에 의한 $Si_3N_4$ 세라믹스의 균열 치유 특성을 코팅방법에 따라 연구하였다. 장균열 시험편의 가장 효과적인 코팅 방법은 정수압코팅방법이었다.
In this study, we analyzed the crack-healing characteristics of specimens; different crack lengths and coating methods of $Si_3N_4$ ceramic structures with long cracks were analyzed. Cracks with lengths of about $100-500\;{\mu}m$ were obtained using a Vickers indenter for a loa...
In this study, we analyzed the crack-healing characteristics of specimens; different crack lengths and coating methods of $Si_3N_4$ ceramic structures with long cracks were analyzed. Cracks with lengths of about $100-500\;{\mu}m$ were obtained using a Vickers indenter for a load of 24.5-98 N. In the case of a crack obtained by applying a load of 24.5 N, the crack-healed specimen with $SiO_2$ nanocolloid coating exhibited the highest bending strength, which was higher than that of a smooth specimen by 140%, but the bending strength of a crack-healed specimen that had a $SiO_2$ nanocolloid coating and originally had multiple cracks was lower than that of a smooth specimen. However, when compared to the cracked specimens, the bending strength of most specimens with multiple cracks increased slightly. On the basis of these results, the crack-healing characteristics of $Si_3N_4$ ceramic structures with multiple indentations were studied for different coating methods. The most effective coating method for long-crack specimens was hydrostatic pressure coating.
In this study, we analyzed the crack-healing characteristics of specimens; different crack lengths and coating methods of $Si_3N_4$ ceramic structures with long cracks were analyzed. Cracks with lengths of about $100-500\;{\mu}m$ were obtained using a Vickers indenter for a load of 24.5-98 N. In the case of a crack obtained by applying a load of 24.5 N, the crack-healed specimen with $SiO_2$ nanocolloid coating exhibited the highest bending strength, which was higher than that of a smooth specimen by 140%, but the bending strength of a crack-healed specimen that had a $SiO_2$ nanocolloid coating and originally had multiple cracks was lower than that of a smooth specimen. However, when compared to the cracked specimens, the bending strength of most specimens with multiple cracks increased slightly. On the basis of these results, the crack-healing characteristics of $Si_3N_4$ ceramic structures with multiple indentations were studied for different coating methods. The most effective coating method for long-crack specimens was hydrostatic pressure coating.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 복수압입에 따른 균열길이와 SiO2 나노 콜로이드의 코팅 방법에 따른 Si3N4 세라믹스의 균열 치유 거동에 대하여 연구하였다.
7에서 비커스 경도기에 의해 도입된 압흔이 완전히 메워지지 않아 강도 회복에 충분히 기여할 수 없어서 생긴 결과로 판단된다. 따라서 본 절에서는 복수압입에 의한 장균열의 균열 치유 능력을 향상시키기 위하여 SiO2 나노 콜로이드를 균열에 깊숙이 침투할 수 있는 코팅 방법의 개선이 필요하였다.
본 연구에서는 Si3N4 세라믹스의 단복수압입에 의해 도입된 균열길이에 따른 치유거동과 SiO2 나노 콜로이드의 코팅 방법에 따른 치유거동에 대하여 연구한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
5 ㎜/min로 사용하였다. 그리고 SEM(Scanning electron microscope)을 사용하여 균열부를 관찰했으며, EDS(Energy dispersive X-ray spectroscop)로 파단 후에 표면의 Si, O의 양을 조사하여 강도 변화와의 상관성을 조사하였다.
혼합한 분말은 용매가 증발할 때까지 진공로에서 건조시킨 후, 분말을 만들어 소결에 사용하였다. 분말의 소결은 N2가스 분위기의 35 MPa 압력하에서 2123 K, 1시간 동안 유지시켜 고온 가압 소결(Hot-press)을 실시하였다. 생성된 소결체는 3 × 4 × 22 ㎜의 시험편으로 자른 후, 경면 연마하였다.
시험편의 모서리 부분은 가공 시에 미세 균열이 발생할 수 있으므로 45°의 각도로 모따기를 실시하였다.
열처리 처리전 균열부의 SiO2 나노 콜로이드 코팅은 3가지 방법을 사용하였다. Fig.
5 N의 하중을 사용한 비커스 경도기로 시험편 표면의 중앙부에 길이 약 100 ~ 500 ㎛의 균열을 만들었다. 예균열의 도입 후, 균열면 위에 SiO2 나노 콜로이드를 코팅하고 1273 K에서 1시간 동안 대기중에서 열처리 실시하였다. SiO2 나노 콜로이드는 773 K이상에서 결정상 SiO2을 형성한다.
위의 결과를 증명하기 위하여 균열 치유효과를 보이지 않은 딥 코팅 치유 시험편과 최대의 균열 치유효과를 보인 정수압코팅 치유 시험편의 균열부를 EDS로 성분 분석하였다. Table 2는 두 코팅재의 치유 처리 표면의 성분을 나타낸 것이다.
5 N에 의한 약 110 ㎛이었다. 이 결과로부터 치유 가능한 한계 균열 길이를 알아보기 위하여 단균열을 연결시켜 장균열을 만들기 위하여 복수압입하여 장균열을 만들었다. Fig.
대상 데이터
소결 보조제는 33 ㎚의 Y2O3, 아나타제 TiO2 그리고 12 wt.%의 SiO2 나노 콜로이드가 사용되었다. 각 시험편의 조성을 Table 1에 나타내었다.
본 실험에 사용한 분말은 평균 직경 0.2 ㎛의 Si3N4와 평균 직경 0.27 ㎛의 SiC 분말이다. 소결 보조제는 33 ㎚의 Y2O3, 아나타제 TiO2 그리고 12 wt.
성능/효과
(1) 24.5 N의 하중으로 도입한 균열치유재가 균열을 도입하지 않은 모재의 평균 굽힘 강도 595 MPa보다 약 140 % 높은 강도를 나타내어 완전히 회복되었다. 한계균열길이는 약 110 ㎛이었다.
(2) 24.5 N의 하중으로 도입한 복수압입 균열치유재는 전부 모재보다 낮은 강도를 나타냈다. 그러나 열처리 하지 않은 단수압입 균열재보다 대부분 높은 강도를 나타내어 강도회복이 약간 되었다.
(3) 24.5 N의 하중으로 4개의 균열이 연결되어 도입된 장균열의 코팅방법에 따른 균열 치유효과는 정수압코팅 > 롤(roll)코팅 > 딥(dip)코팅 순으로 나타났으며, 정수압코팅처리는 균열심층부까지 SiO2 나노 콜로이드의 침투가 용이하여 가장 뛰어난 효과를 나타내었다.
5 N에 의한 균열재(●)의 평균 균열 길이는 약 110 ㎛이며, 굽힘 강도는 모재의 약 절반인 336 MPa을 나타내었다. 균열재에 SiO2 나노 콜로이드를 코팅하여 열처리한 균열치유재(○)의 굽힘 강도는 약 837 MPa을 나타내어, 모재(■)의 평균 굽힘 강도 595 MPa 보다 약 140 % 상승하였다. 또한 각 시험편은 균열치유부 이외에서 파단하였다.
이것은 모재(■)의 평균 굽힘 강도 595 MPa의 73 %를 나타내어, 강도 회복이 되지 않았다. 또한 98 N하중에 의한 평균 균열 길이는 약 310 ㎛이며, 균열치유재(▽)의 굽힘 강도는 약 280 MPa로서 24.5 N하중에 의한 균열재(●)보다 더 낮은 강도(83 %)를 나타내었다. 이것은 압입 하중에 따라서 압입부 단면적과 깊이가 증가하여 응력집중이 크게 작용하여 나타났다고 판단되며, 향후 연구 과제라 생각한다.
딥 코팅한 치유시험편(△)은 약 303 MPa로 균열재(●)의 평균 굽힘강도와 비슷한 값을 나타내어 강도가 회복되지 않았다. 롤 코팅한 치유시험편(▽)은 약 378 MPa의 평균 굽힘 강도값을 나타내어, 강도가 약간 회복된 것으로 나타났다. 그러나 정수압 코팅한 치유시험편(◇)은 평균 450 MPa로 가장 높은 강도값을 나타내었으며, 특히 최대 566 MPa의 강도값을 나타내어 모재(■)의 평균 굽힘 강도와 유사한 값으로 회복되었다.
후속연구
5 N하중에 의한 균열재(●)보다 더 낮은 강도(83 %)를 나타내었다. 이것은 압입 하중에 따라서 압입부 단면적과 깊이가 증가하여 응력집중이 크게 작용하여 나타났다고 판단되며, 향후 연구 과제라 생각한다. 따라서 SiO2 나노 콜로이드를 코팅한 균열치유재의 균열 치유 한계 길이는 24.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
질화규소(Si3N4)는 어디에 많이 응용되는가?
질화규소(Si3N4)는 구조재료용으로 뛰어난 기계적 성질, 내마모성, 내식성 및 열적 특성 때문에 터보 챠저 로터, 디젤엔진 부품, 공구류 및 베어링 등 산업에 많이 응용된다. 또한 고온고강도, 고내식, 고내마모가 요구되는 고온구조재, 터보 챠저 로터, 디젤엔진 부품, 공구류, 절삭공구 및 베어링 등 산업에 많이 응용된다. 최근에는 각종 전자기적 특성을 나타내는 세라믹스가 많이 발견되고 응용되면서 전자기적 기능성을 또 하나의 장점으로 가지고 있다.
질화규소(Si3N4)의 특성은?
질화규소(Si3N4)는 구조재료용으로 뛰어난 기계적 성질, 내마모성, 내식성 및 열적 특성 때문에 터보 챠저 로터, 디젤엔진 부품, 공구류 및 베어링 등 산업에 많이 응용된다. 또한 고온고강도, 고내식, 고내마모가 요구되는 고온구조재, 터보 챠저 로터, 디젤엔진 부품, 공구류, 절삭공구 및 베어링 등 산업에 많이 응용된다.
전자기적 특성을 나타내는 세라믹스의 단점은?
최근에는 각종 전자기적 특성을 나타내는 세라믹스가 많이 발견되고 응용되면서 전자기적 기능성을 또 하나의 장점으로 가지고 있다. 그러나 구조용 세라믹스는 파괴인성이 낮아 깨어지기 쉬워 가공성이 나쁘고, 공정 제어가 어려운 단점도 있다. 이러한 낮은 신뢰성은 세라믹tm의 적용에 제한이 생기므로, 적용범위를 넓히기 위해 신뢰성을 높이는 것이 중요하다.
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