[논문]SiC 필러 함량이 탄소 함유 Polysiloxane으로부터 제조된 고기공률 탄화규소 세라믹스의 미세조직과 꺾임강도에 미치는 영향

엄정혜; 김영욱; 송인혁

doi:10.4191/kcers.2012.49.6.625

SiC 필러 함량이 탄소 함유 Polysiloxane으로부터 제조된 고기공률 탄화규소 세라믹스의 미세조직과 꺾임강도에 미치는 영향
Effect of SiC Filler Content on Microstructure and Flexural Strength of Highly Porous SiC Ceramics Fabricated from Carbon-Filled Polysiloxane 원문보기

한국세라믹학회지 = Journal of the Korean Ceramic Society, v.49 no.6, 2012년, pp.625 - 630

엄정혜 (서울시립대학교 신소재공학과) , 김영욱 (서울시립대학교 신소재공학과) , 송인혁 (재료연구소 엔지니어링세라믹연구그룹)

Abstract ▼ AI-Helper

Highly porous silicon carbide (SiC) ceramics were fabricated from polysiloxane, SiC and carbon black fillers, AlN-$Y_2O_3$ additives, and poly (ether-co-octene) (PEOc) and expandable microsphere templates. Powder mixtures with a fixed PEOc content (30 wt%) and varying SiC filler contents from 0-21 wt% were compression-molded. During the pyrolysis process, the polysiloxane was converted to SiOC, the PEOc generated a considerable degree of interconnected porosity, and the expandable microspheres generated fine cells. The polysiloxane-derived SiOC and carbon black reacted and synthesized nano-sized SiC with a carbothermal reduction during a heat-treatment. Subsequent sintering of the compacts in a nitrogen atmosphere produced highly porous SiC ceramics with porosities ranging from 78 % to 82 % and a flexura lstrength of up to ~7 MPa.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 폴리카보실란에 비해 가격이 매우 저렴한 폴리실록센을 Si의 원료로 사용하고, carbon의 원료로 카본 블랙(carbon black)을 사용하고, 소결첨가제로 AlNY₂O₃를 첨가하고, 고기공율을 얻기 위한 기공형성제로 팽창가능한 미세구와 고분자(poly(ether-co-octene), PEOc)를 동시에 첨가하여 향상된 기계적 강도 특성을 갖는 고기 공률 탄화규소 세라믹스를 제조하는 공정을 고찰하였다. 기공형성제로 사용된 고분자(PEOc)가 열린 기공을 만들고, 팽창가능한 미세구는 기공벽 내부에 미세 기공을 형성하여 고기공률 탄화규소 세라믹스를 제조하는 것이 가능하였다.
세 시편은 모두 질소 분위기를 사용하여 1750°C에서 2시간 동안 소결한 시편들이고, 다공질 탄화규소 세라믹스의 미세조직은 폴리실록센과 카본 블랙으로부터 형성된 SiC와 SiC 필러로 구성된 기공 벽(strut)과 PEOc의 열분해에 의해 형성된 열린 기공 및 팽창가능한 미세구의 열분해에 의한 구형기공들로 구성되어 있다. 이러한 결과는 기공형성제로 PEOc의 첨가는 열린 거대기공을 형성하여 고기공률 탄화규소 세라믹스를 제조하는 것을 가능케 함을 나타낸다. 또한, SiC 필러 함량이 0%에서 21%로 증가함에 따라, 기공벽의 두께는~ 10 μm에서 ~ 20 μm로 두꺼워졌고.

제안 방법

, Boston, USA)을 사용하여 측정하였다. 꺾임강도는 20 mm span의 치구를 사용하여 0.5 mm/min의 crosshead 속도로 3점 꺾임강도를 측정하였다.
다공질 탄화규소 세라믹스의 미세조직은 주사전자현미경(SEM, S-4300, Hitachi Co., Hitachi, Japan)을 사용하여 관찰하였고, 꺾임강도는 만능시험기(Instron 3344, Instron Co., Ltd., Boston, USA)을 사용하여 측정하였다. 꺾임강도는 20 mm span의 치구를 사용하여 0.
열분해 과정을 거친 시편들은 흑연로에서 질소 분위기를 사용하여 10°C/min의 승온 속도로 1450°C에서 1시간동안 가열함으로서, 탄소열환원 공정을 통해 SiC를 합성 하였고, 냉각 공정 없이 계속해서 1750°C까지 승온하여 2시간 동안 소결하였다.
제조된 시편의 부피밀도(bulk density, D_b)는 질량 대 부피 비로부터 계산하였다. 기공률(P)은 부피밀도와 이론밀도 (D_th)를 가지고 아래와 같은 식을 사용하여 계산하였다.
기공형성제로 사용된 고분자(PEOc)가 열린 기공을 만들고, 팽창가능한 미세구는 기공벽 내부에 미세 기공을 형성하여 고기공률 탄화규소 세라믹스를 제조하는 것이 가능하였다. 특히 불활성 필러(filler)로 첨가된 SiC의 함량이 다공질 탄화규소 세라믹스의 미세조직과 기공률 및 꺾임강도에 미치는 영향을 고찰하였다.
혼합된 원료는 직경 50 mm의 금형 모울드를 사용하여 80°C의 온도에서 28MPa의 압력으로 압축성형(compression molding) 하였다.

대상 데이터

나노크기 SiC의 전구체로서 폴리실록센과 카본 블랙, 불활성 필러로서 SiC, 기공형성제로 poly(ether-co-octene) 및 팽창가능한 미세구, 소결첨가제로 AlN-Y₂O₃를 출발원료로 사용하여 압축성형(compression molding), 탄소열환원반응 (carbothermal reduction) 및 소결공정을 거쳐 기공률 78 ~ 82% 범위를 갖는 고기공률 다공질 탄화규소 세라믹스를 제조하였다.
다공질 탄화규소 세라믹스를 합성하기 위하여 출발원료로 폴리실록센 (YR3370, GE Toshiba Silicones Co., Ltd., Tokyo, Japan), 카본 블랙 (Corax MAF, Korea Carbon Black Co., Ltd., Incheon, Korea), SiC (FCP15C, ~ 0.5μm, Norton AS, Eydehavn, Norway), 팽창 가능한 미세구 (461DU40, Expancel, Sundsvall, Sweden), 고분자 template (Poly(ether-co-octene), EG8200, Dow Chemical Co., Michigan, U.S.A), AlN (grade F, 1.3 μm, Tokuyama Soda, Tokyo, Japan) 및 Y2O3 (0.4 μm, 99.99% pure, Kojundo Chemical Laboratory Co., Sakado, Japan) 를 출발 원료로 사용하였다.

성능/효과

이러한 기공률의 차이는 열경화 공정 후성형체의 밀도 차이와 열분해 공정에서 무게 감량의 차이로 인해 발생한다. 0FSC, 7FSC 및 21FSC시편의 열경화 공정 후 밀도는 각각 0.96 g/cm³, 0.98 g/cm³ 및 1.15 g/cm³으로서 SiC filler 함량이 증가할수록 증가하였다. 이러한 결과는 소결온도가 동일한 경우에, 출발조성에 폴리실록센 함량이 적을수록, 즉 SiC filler 함량이 많을수록 열처리 공정 동안에 휘발되는 성분이 적어져서 기공률이 감소하였기 때문이다.
이는 소결과정 중 폴리실록센의 열분해 및 폴리실록센 열분해 산물 (실리콘옥시카바이드, SiOC)과 카본블랙의 화학반응 (SiOC + C → SiC + CO)에 기인한 휘발성분의 감소와 SiC 필러의 상호 접촉에 의한 수축 감소에 기인한다.²⁴⁾ 이러한 결과는 SiC 필러의 첨가가 무게 감량 및 수축률을 감소시켜, 고기공률 SiC 시편의 크기 및 형태를 제어하는 데 효과적임을 나타낸다.^24,25)
1은 SiC 필러 함량의 변화에 따른 다공질 탄화규소 세라믹스의 밀도와 기공률의 변화를 보여준다. SiC 필러의 함량이 0%에서 21%로 증가함에 따라 기공률은 82%에서 78%로 감소하였고, 부피밀도는 0.59 g/cm³에서 0.72 g/cm³으로 증가하였다. 이러한 기공률의 차이는 열경화 공정 후성형체의 밀도 차이와 열분해 공정에서 무게 감량의 차이로 인해 발생한다.
SiC 필러의 함량이 증가함에 따라 기공 크기는 증가하였고, 기공율은 감소하였다. 이러한 결과는 SiC 필러의 함량을 조절함으로서 기공율 75% 이상의 고기공율 범위에서도 기공률의 제어가 어느 정도 가능함을 나타낸다.
를 첨가하고, 고기공율을 얻기 위한 기공형성제로 팽창가능한 미세구와 고분자(poly(ether-co-octene), PEOc)를 동시에 첨가하여 향상된 기계적 강도 특성을 갖는 고기 공률 탄화규소 세라믹스를 제조하는 공정을 고찰하였다. 기공형성제로 사용된 고분자(PEOc)가 열린 기공을 만들고, 팽창가능한 미세구는 기공벽 내부에 미세 기공을 형성하여 고기공률 탄화규소 세라믹스를 제조하는 것이 가능하였다. 특히 불활성 필러(filler)로 첨가된 SiC의 함량이 다공질 탄화규소 세라믹스의 미세조직과 기공률 및 꺾임강도에 미치는 영향을 고찰하였다.
제조된 다공질 SiC 세라믹스는 78% ~ 82% 기공률 범위에서 3 ~ 7 MPa 범위의 꺾임강도 값을 갖는다. 다른 다공질 세라믹스와 마찬가지로 본 연구에서 제조된 기공율 75% 이상의 고기공율 다공질 SiC 세라믹스도 기공율이 증가함에 따라 꺾임강도가 낮아지는 일반적인 경향을 보여준다.^7,12) 이는 78% ~ 82% 범위의 고기공율에서도 다공질 SiC 세라믹스의 강도는 기공률에 의해 주된 영향을 받음을 나타낸다.
이러한 결과는 SiC 필러의 함량을 조절함으로서 기공율 75% 이상의 고기공율 범위에서도 기공률의 제어가 어느 정도 가능함을 나타낸다. 또한, SiC 필러의 첨가는 소결 수축율을 현저하게 감소시켜 치수 제어에 효과적이었다.
이는 필러함량이 증가함에 따라 기공율이 감소한 결과를 뒷받침한다. 또한, 선수축률도 무게 감소율과 동일한 경향을 보여주는데, SiC 필러 함량이 0%에서 21%로 증가함에 따라, 선수축률이 34%에서 15%로 감소하였다. 이는 소결과정 중 폴리실록센의 열분해 및 폴리실록센 열분해 산물 (실리콘옥시카바이드, SiOC)과 카본블랙의 화학반응 (SiOC + C → SiC + CO)에 기인한 휘발성분의 감소와 SiC 필러의 상호 접촉에 의한 수축 감소에 기인한다.
상기 공정으로 제조된 다공질 탄화규소 세라믹스의 꺾임 강도는 기공률이 증가함에 따라 감소하였고, 기공률~ 78%에서 ~ 7 MPa의 강도를 나타냈다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	다공질 세라믹스의 장점은?	다공질 세라믹스는 기존의 치밀한 재료가 갖지 못하는 분리, 저장, 단열, 경량, 통기성, 높은 비표면적(specific surface area) 등의 특성을 갖고 있기 때문에 치밀한 재료와 더불어 산업적 중요성이 증가하고 있다. 다공질 세라믹스의 물성은 기공의 크기, 형상, 배향성, 기공률 및 기공벽의 미세조직 등에 의해 영향을 받으므로, 이러한 특성의 제어는 다공질 세라믹스의 물성 향상 및 소재 응용에 있어서 매우 중요한 연구 분야이다.
	동결주조법 및 겔주조법의 단점은?	한편, 기공율 75% 이상의 고기공률을 갖는 탄화규소 세라믹스를 제조하는 방법으로는 (1) 폴리우레탄 폼(foam) 에 SiC 슬러리를 코팅하고, 건조 및 열처리공정을 거쳐 다공질 탄화규소를 제조하는 복제법(replica technique),20) (2) SiC 분말을 포함하는 수용액 또는 SiC 분말-SiC 전구체(polycarbosilane)-캠펜(camphene) 용액을 동결시키고, 건조공정을 거쳐 물(H2O) 과 캠펜을 제거하여 기공 채널을 형성하여 다공질 탄화규소를 제조하는 동결주조법 (freezing casting technique),21) (3) 겔화(gelation) 촉진제로 agar를 포함하는 SiC 혼합물의 겔주조법(gel casting)22) 및 (4) SiC의 전구체인 폴리카보실란(polycarbosilane)과 고분자 미세구 혼합물을 성형, cross-linking 및 열분해 공정으로 제조하는 열분해법23) 등이 보고되었다. 그러나 폴리우레탄 폼을 사용하는 복제법은 다공질 탄화규소 세라믹스의 기공벽(strut)의 중심부분이 비어있어 기계적 강도가 약하다는 단점을 가지고 있고, 동결주조법 및 겔주조법은 기공형상의 제어가 어렵고, 열처리 공정 중에 수증기 및 캠펜의 제거에 기인하는 다량의 기체가 발생하여 기공벽에 미세 균열의 형성 가능성이 있고, 공정제어가 까다롭다는 단점이 있다. 또한, SiC의 전구체인 폴리카보실란을 사용하는 열분해법은 원료의 가격이 너무 비싸다는 단점이 있다.
	replica technique 방법의 단점은?	한편, 기공율 75% 이상의 고기공률을 갖는 탄화규소 세라믹스를 제조하는 방법으로는 (1) 폴리우레탄 폼(foam) 에 SiC 슬러리를 코팅하고, 건조 및 열처리공정을 거쳐 다공질 탄화규소를 제조하는 복제법(replica technique),20) (2) SiC 분말을 포함하는 수용액 또는 SiC 분말-SiC 전구체(polycarbosilane)-캠펜(camphene) 용액을 동결시키고, 건조공정을 거쳐 물(H2O) 과 캠펜을 제거하여 기공 채널을 형성하여 다공질 탄화규소를 제조하는 동결주조법 (freezing casting technique),21) (3) 겔화(gelation) 촉진제로 agar를 포함하는 SiC 혼합물의 겔주조법(gel casting)22) 및 (4) SiC의 전구체인 폴리카보실란(polycarbosilane)과 고분자 미세구 혼합물을 성형, cross-linking 및 열분해 공정으로 제조하는 열분해법23) 등이 보고되었다. 그러나 폴리우레탄 폼을 사용하는 복제법은 다공질 탄화규소 세라믹스의 기공벽(strut)의 중심부분이 비어있어 기계적 강도가 약하다는 단점을 가지고 있고, 동결주조법 및 겔주조법은 기공형상의 제어가 어렵고, 열처리 공정 중에 수증기 및 캠펜의 제거에 기인하는 다량의 기체가 발생하여 기공벽에 미세 균열의 형성 가능성이 있고, 공정제어가 까다롭다는 단점이 있다. 또한, SiC의 전구체인 폴리카보실란을 사용하는 열분해법은 원료의 가격이 너무 비싸다는 단점이 있다.

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