[논문]초고온용 ZrB2-계 세라믹스의 치밀화와 물성

김성원; 김형태; 김경자; 서원선

doi:10.7736/kspe.2012.29.3.273

초고온용 ZrB2-계 세라믹스의 치밀화와 물성
Densification and Properties of ZrB2-based Ceramics for Ultra-high Temperature Applications 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.29 no.3, 2012년, pp.273 - 278

김성원 (한국세라믹기술원 이천분원) , 김형태 (한국세라믹기술원 이천분원) , 김경자 (한국세라믹기술원 이천분원) , 서원선 (한국세라믹기술원 그린세라믹본부)

Abstract ▼ AI-Helper

$ZrB_2$ has a melting temperature of $3245^{\circ}C$ and a low density of $6.1\;g/cm^3$, which makes this a candidate for application to ultra-high temperature over $2000^{\circ}C$. Beside these properties, $ZrB_2$ has excellent resistance to thermal shock and oxidation compared with other non-oxide engineering ceramics. This paper reviewed briefly 2 research examples, which are related to densification and properties of $ZrB_2$-based ceramics for ultra-high temperature applications. In the first section, the effect of $B_4C$ addition on the densification and properties of $ZrB_2$-based ceramics is shown. $ZrB_2$-20 vol.% SiC system was selected as a basic composition and $B_4C$ or C was added to this system in some extents. With sintered bodies, densification behavior and hightemperature (up to $1400^{\circ}C$) properties such as bending strength and hardness are examined. In the second section, the effect of the SiC size on the microstructures and physical properties is shown. $ZrB_2$-SiC ceramics are fabricated by using various SiC sources in order to investigate the grain-growth inhibition and the mechanical/thermal properties of $ZrB_2$-SiC.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본고에서는 초고온용 ZrB2-계 세라믹스의 치밀화와 물성에 관한 연구결과 중 대표적인 소결조제인 B4C 첨가효과 5 와 SiC 의 크기에 따른 ZrB2-계 세라믹스의 미세구조 및 물성변화 6,7 에 대한 예를 고찰하고자 한다.
초고온용 ZrB₂-계 세라믹스의 치밀화와 물성에 관한 연구결과 중 대표적인 소결조제인 B₄C 첨가효과와 SiC 의 크기에 따른 ZrB₂-계 세라믹스의 미세구조 및 물성변화에 대한 예를 고찰하였다. B₄C 첨가는 ZrB₂-계 세라믹스의 치밀화 향상을 가져왔으며 B₄C 와 같은 소결조제 첨가에 의한 물성열화는 두드러지지 않았다.

제안 방법

-20 vol.% SiC 가 되도록 세라믹 분말공정과 고온가압소결을 이용하여 시편을 제조하고 SiC 의 출발분말 크기가 ZrB₂-SiC 세라믹스의 미세구조와 경도, 열확산도에 미치는 영향을 살폈다.
, Germany), nano SiC(nano powder,<100 nm, ALDRICH, Germany)의 분말을 이용하여 각각 ZrB₂-20 vol.% SiC 가 되도록 칭량한 2 가지 조성을 준비하여 볼밀링으로 24 시간 동안 습식혼합 후 건조하였다. 건조된 분말을 유발로 분쇄하고 조립화한 후, 흑연 몰드에 장입하여 고온가압소결로의 Ar 분위기 하에서 분당 10℃로 승온, 30 MPa 의 하중을 가하면서 1900℃에서 2 시간 동안 가압소결한 후 로냉하였다.
% SiC 가 되도록 칭량한 후 잉여의 3, 5 vol% B4C (Grade-A, 1.5 µm, UK Abrasives, USA) 혹은 3 vol% C (carbon, 5 µm, Sodiff Co. Ltd., Korea)을 첨가한 4 가지 조성을 준비하여 볼밀링으로 24 시간 동안 습식혼합 후 건조하였다.
각 조성과 열처리 온도의 소결체에 대하여 소결밀도, 미세구조, 기계적 물성을 평가하였다. 소결시편의 표면을 연삭하고 아르키메데스법으로 겉보기 밀도를 구하고 혼합률 (rule of mixtures)로 구한 이론밀도와 비교하여 상대밀도를 구하였다.
전자를 투과할 정도로 충분히 얇아진 (<100 nm) 시편을 TEM(transmission electron microscope, Tecnai G2 F30, FEI, Netherland)으로 미세구조와 EDS (energy dispersive spectroscopy)로 조성분포를 살폈다. 고온 기계적 물성으로 3 점 꺾임강도와 비커스 경도를 평가하였다.
두 종류의 소결체에 대해서 미세구조와 경도, 열확산도를 측정하였다. 다이아몬드 슬러리에 연마한 단면시편을 SEM (scanning electron microscope, JSM-6390, JEOL, Japan)으로 미세구조를 살폈다.
각 조성과 열처리 온도의 소결체에 대하여 소결밀도, 미세구조, 기계적 물성을 평가하였다. 소결시편의 표면을 연삭하고 아르키메데스법으로 겉보기 밀도를 구하고 혼합률 (rule of mixtures)로 구한 이론밀도와 비교하여 상대밀도를 구하였다. 6 µm 에서 1 µm 지립의 다이아몬드 슬러리에 연마한 단면시편을 SEM (scanning electron microscope, JSM-6390, JEOL, Japan)으로 미세구조를 살폈다.
다이아몬드 슬러리에 연마한 단면시편을 SEM (scanning electron microscope, JSM-6390, JEOL, Japan)으로 미세구조를 살폈다. 연마한 시편의 경도를 고온 비커스 경도계(Qm-2, Nikon, Japan) 로 상온에서 900℃ 까지 고진공(10^-5 torr)에서 측정하였다. 열확산도와 비열은 고온열확산측정기(laser flash analysis, LFA 457 Micro Flash, Netzsch, Germany)을 이용하여 1000℃까지 가열된 시편의 온도에 따라 측정하였다.
열확산도와 비열은 고온열확산측정기(laser flash analysis, LFA 457 Micro Flash, Netzsch, Germany)을 이용하여 1000℃까지 가열된 시편의 온도에 따라 측정하였다. 열확산도 측정시편에 조사되는 레이저가 투과없이 흡수되고 광원 반대편의 적외선 검출기로 흑체 복사가 되도록 연마된 시편 양쪽에 흑연 코팅을 하였다.
연마한 시편의 경도를 고온 비커스 경도계(Qm-2, Nikon, Japan) 로 상온에서 900℃ 까지 고진공(10^-5 torr)에서 측정하였다. 열확산도와 비열은 고온열확산측정기(laser flash analysis, LFA 457 Micro Flash, Netzsch, Germany)을 이용하여 1000℃까지 가열된 시편의 온도에 따라 측정하였다. 열확산도 측정시편에 조사되는 레이저가 투과없이 흡수되고 광원 반대편의 적외선 검출기로 흑체 복사가 되도록 연마된 시편 양쪽에 흑연 코팅을 하였다.
전자를 투과할 정도로 충분히 얇아진 (<100 nm) 시편을 TEM(transmission electron microscope, Tecnai G2 F30, FEI, Netherland)으로 미세구조와 EDS (energy dispersive spectroscopy)로 조성분포를 살폈다.

대상 데이터

본 연구에서는 B₄C 의 첨가가 ZrB₂-계 세라믹스의 치밀화와 기계적 물성에 미치는 효과를 살피기 위해 세라믹 분말공정과 고온가압소결을 이용하여 시편을 제조하였다.

성능/효과

B₄C 첨가는 ZrB₂-계 세라믹스의 치밀화 향상을 가져왔으며 B₄C 와 같은 소결조제 첨가에 의한 물성열화는 두드러지지 않았다. ZrB₂-SiC 복합세라믹스에서 초기의 SiC 크기가 감소함에 따라 미세구조의 미세화가 뚜렷이 나타났으며 이는 기계적 특성 및 열전도도의 향상을 가져왔다.
경도는 외부에서 소재에 압력이 가해질 때 일어나는 영구적인 소성변형에 저항하는 물리량이다. 따라서, 경도값은 측정온도가 증가하면서 감소하는 경향을 나타내는데 이는 고온으로 갈수록 전위이동 등의 소성변형 기구가 용이해짐을 의미한다. 보고된 ZrB₂ 의 경도는 21~23 GPa, SiC 의 경도는 ~28 GPa 이다.
경도에 영향을 미치는 주요인자로 Hall-Petch 관계로 알려져 있는 경도와 입자크기와의 관계이다. 본 결과에서는 첨가된 SiC 의 크기가 작아지면 최종 미세구조의 입자크기도 감소하고 같은 조성의 ZrB₂-SiC 세라믹스 경도값이 증가하였다.
복합 세라믹스의 경도는 각 구성 입자의 혼합률(rule of mixtures)로 주어진다고 알려져 있으며 ZrB₂-SiC 계에 B₄C 첨가에 따라 상온 비커스 경도는 감소한다는 보고 ¹¹ 가 있다. 본 연구의 결과에서는 조성에 따른 경도의 변화에 있어 뚜렷한 경향이 드러나지는 않았다.
위의 식에서 알 수 있듯이 붕소화합물 (B4C, B2O3)은 산소와 반응하여 붕화물을 형성하고 반응이 소결온도 (>1500℃)에서 열역학적으로 유리하며 9 C 가 풍부한 분위기에서는 조성 내 B4C 만으로도 위의 모든 반응이 용이할 것으로 사료된다.
일반의 SiC 를 사용한 경우에 ZrB2 의 입자크기는 10 µm 이상인 반면에 나노크기의 SiC 를 사용한 경우에는 수 µm 정도의 ZrB2 로 나타나는 것으로 보아 상당한 입성장 억제가 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	퍼콜레이션 현상이란 무엇인가?	퍼콜레이션이라 하면 일반적으로 다공소재를 통한 유체의 이동을 나타내는 용어로 복합소재에서의 전도특성을 기술하는데 흔히 사용된다. 복합소재에서 기지상과 분산상 간에 전도특성이 다르다면 분산상의 부피분율 혹은 접촉도에 따른 전체 소재의 전도특성에는 이산적인 변화를 나타내게 되는데 이를 퍼콜레이션이라 부른다. 퍼콜레이션 현상의 전형적인 예로 절연성 기지상에 전도성 분산상이 분포된 복합소재의 전기전도특성을 들 수 있다.
	IV, V, VI 족 전이금속의 붕/탄/질화물 세라믹스의 특징은 무엇인가?	3000℃ 이상의 녹는점, 화학적 안정성, 내산화성 등의 특징을 지니는 IV, V, VI 족 전이금속의 붕/탄/질화물 세라믹스는 2004 년 미국의 NSF (National Science Foundation)와 AFOSR (Air Force Office of Science Research) 간의 워크샵 보고서1에서 초고온 세라믹스 (ultra-high temperature ceramics)로 소개된 이후 엔지니어링 세라믹스의 새로운 연구분야로 각광을 받고 있다. 초고온 세라믹스의 연구는 소재의 합성, 치밀화, 물성의 평가 및 향상2-4등의 재료의 전분야를 포함하고 초고온 세라믹스의 응용분야로 극초음속기, 우주왕복선 등의 항공 우주 비행체의 선단부(先端部, leading edge)를 고온으로부터 보호하기 위한 열보호 시스템(thermal protection system)이 있다.
	초고온 세라믹스의 연구에는 무엇이 있는가?	3000℃ 이상의 녹는점, 화학적 안정성, 내산화성 등의 특징을 지니는 IV, V, VI 족 전이금속의 붕/탄/질화물 세라믹스는 2004 년 미국의 NSF (National Science Foundation)와 AFOSR (Air Force Office of Science Research) 간의 워크샵 보고서1에서 초고온 세라믹스 (ultra-high temperature ceramics)로 소개된 이후 엔지니어링 세라믹스의 새로운 연구분야로 각광을 받고 있다. 초고온 세라믹스의 연구는 소재의 합성, 치밀화, 물성의 평가 및 향상2-4등의 재료의 전분야를 포함하고 초고온 세라믹스의 응용분야로 극초음속기, 우주왕복선 등의 항공 우주 비행체의 선단부(先端部, leading edge)를 고온으로부터 보호하기 위한 열보호 시스템(thermal protection system)이 있다.

참고문헌 (11)

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원문보기 상세보기
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상세보기
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Zhang, H., Yan, Y., Huang, Z., Liu, X. and Jiang, D., "Pressureless Sintering of $ZrB_2$ -SiC Ceramics: the Effect of $B_4C$ Content," Scripta Mater., Vol. 60 No. 7, pp. 559-562, 2009.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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