[논문]MgO와 ZrO2가 첨가된 Al2TiO5 세라믹의 열·기계적 물성

김다미; 김형태; 김형준; 김익진; 최성철; 김용찬; 남궁정; 류성수

doi:10.4150/kpmi.2012.19.4.253

MgO와 ZrO2가 첨가된 Al2TiO5 세라믹의 열·기계적 물성
Thermo-Mechanical Properties of Al2TiO5 Ceramics Stabilized with MgO and ZrO2 Additives 원문보기

한국분말야금학회지 = Journal of Korean Powder Metallurgy Institute, v.19 no.4, 2012년, pp.253 - 258

김다미 (한국세라믹기술원 엔지니어링세라믹센터) , 김형태 (한국세라믹기술원 엔지니어링세라믹센터) , 김형준 (한국세라믹기술원 엔지니어링세라믹센터) , 김익진 (한서대학교 신소재공학과) , 최성철 (한양대학교 신소재공학부) , 김용찬 (포항산업과학연구원) , 남궁정 (포항산업과학연구원) , 류성수 (한국세라믹기술원 엔지니어링세라믹센터)

Abstract ▼ AI-Helper

The characteristics of $Al_2TiO_5$ ceramics were influenced by the additives and the heat treatment that controls the microcrack behavior at grain boundaries. The effect of additives on $Al_2TiO_5$ ceramics were investigated in terms of mechanical properties and thermal expansion at high temperature. The $Al_2TiO_5$ were synthesized at $1500^{\circ}C$, $1550^{\circ}C$ and $1600^{\circ}C$ for 2h by reaction sintering. The formation of $Al_2TiO_5$ phase was increased by additives that enhanced the volume of the microcrack that can lead to low thermal expansion. The mechanical properties of the stabilized $Al_2TiO_5$ ceramics were increased remarkably at $1100^{\circ}C$, $1200^{\circ}C$ and $1300^{\circ}C$ due to the oneset of mechanical healing of grain-bondary microcracks at a high temperature. The amount of microcrack was decreased at lower sintering temperature that causes the increase of mechanical properties at high temperature.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

에 들어가는 첨가제의 양이다. Al₂O₃와 TiO₂을 1:1 몰비로 합성한 순수 Al2TiO5와 열역학적, Kinetic 안정제가 첨가된 Al₂TiO₅을 비교하여 안정제 첨가가 Al₂TiO₅의 기계적 물성에 미치는 영향에 대해 고찰하였다.
Al₂TiO₅를 내화물로 사용하기 위한 고온 상분해 억제나 상온 강도향상에 대한 연구는 많이 다루어졌으나 실제 내화물로 사용되는 고온에서의 열적, 기계적 물성에 대한 연구가 거의 없었다. 본 연구에서는 열역학적 안정제인 MgO와 강도증진제인 ZrO2를 동시에 첨가하고, 반응 소결 조건에 따른 고온 기계적 물성과 열팽창 특성에 미치는 영향에 대해 순수한 Al₂TiO₅와 비교하여 고찰하였다.
본 연구에서는 첨가제가 들어가지 않은 순수 Al₂TiO₅와 열역학적 안정제인 MgO와 강도 증진제인 ZrO₂을 첨가하여 안정화 Al₂TiO₅을 합성하고, 이를 비교하여 고온안정성과 고온 기계적 물성과 열팽창에 미치는 영향을 조사하였다.

제안 방법

곡강도를 측정하기 위하여 3×4×40 mm로 가공 후 강도 시험기(RB 302ML, 알앤비, 한국)로 상온강도를 측정하였고, 고온강도는 시험기(RB 301Unitech, 알앤비, 한국)로 1100℃, 1200oC, 1300oC에서 측정 하였다.
배치는 밀링 후 80℃ 오븐에서 24 시간 건조하여 200 mesh로 체거름 하였고 직경 17 mm 몰드로 44 MPa 압력으로 성형한 후 200 MPa로 냉간등압성형을 하였다. 성형된 시편은 유기 바인더 제거를 위해 600℃(5^oC/min)에서 1시간 동안 유지 시킨 후 각각 1500℃, 1550^oC, 1600^oC에서 2 시간 동안 대기분위기에서 반응 소결하였다.
에칭이 완료 된 소결체의 단면과 미세구조상의 구성원 소를 확인하기 위하여 X-ray energy dispersive spectroscopy (EDS, 7421, Oxford Instruments, Bucks, UK)가 부착된 전계방사-주사전자현미경(FE-SEM, JSM6701F, Jeol, Japan) 을 이용하였고, X-선 회절분석기(X-ray diffractometer, D/ max 2500, Rigaku, Japan)를 이용하여 상분석을 실시하였다. 소결체의 열팽창 특성은 dilatometer(DIL 402 PC, Netzsch, Germany)를 사용하여 10℃/min의 승온속도로 1300^oC까지 가열 후 냉각하는 과정까지 측정한 결과를 hysteresis 곡선으로 나타내었다. 이 때, 열팽창계수는 50℃에서 1000^oC에서 승온중의 팽창값이다.
소결체의미세구조는 다이아몬드 현탁액을 이용하여 1 µm 이하로 연마 후, 소결온도보다 각각 100℃ 낮은 온도에서 30분간 열에칭 한 후에 관찰하였다.
에칭이 완료 된 소결체의 단면과 미세구조상의 구성원 소를 확인하기 위하여 X-ray energy dispersive spectroscopy (EDS, 7421, Oxford Instruments, Bucks, UK)가 부착된 전계방사-주사전자현미경(FE-SEM, JSM6701F, Jeol, Japan) 을 이용하였고, X-선 회절분석기(X-ray diffractometer, D/ max 2500, Rigaku, Japan)를 이용하여 상분석을 실시하였다. 소결체의 열팽창 특성은 dilatometer(DIL 402 PC, Netzsch, Germany)를 사용하여 10℃/min의 승온속도로 1300^oC까지 가열 후 냉각하는 과정까지 측정한 결과를 hysteresis 곡선으로 나타내었다.

대상 데이터

안정화 조제로는 열역학적 안정제인 MgO (99.9%, 1 µm, Kojundo chemical, Japan), 강도 증진제인 ZrO2(99.9%, 0.7 µm, Sinocera, China) 를 혼합하여 에탄올 용매에 지르코니아 볼 직경 3 mm와 폴리에틸렌글리콜 (PEG6000, 대정, 한국) 1 wt% 바인더, RE610 분산제 0.1 wt%를 사용하여 24 시간 혼합하였다.
출발 원료는 Al2O3(99%, 5 µm, Suminoto, Japan), TiO2 (99%, 0.5 µm, 코스모화학, 한국)을 사용하여 1:1 비율로 혼합하였다.

이론/모형

소결체의 물리적 물성은 5 시간 동안 수중에 끓인 후에아르키메데스 법을 이용하여 소결밀도와 기공율을 측정하였다. 곡강도를 측정하기 위하여 3×4×40 mm로 가공 후 강도 시험기(RB 302ML, 알앤비, 한국)로 상온강도를 측정하였고, 고온강도는 시험기(RB 301Unitech, 알앤비, 한국)로 1100℃, 1200^oC, 1300^oC에서 측정 하였다.

성능/효과

의 미세구조이다. EDS 분석 결과, 밝은 회색상은 Al₂TiO₅ 상으로 소량의 Mg²⁺가 검출되었다. 이는 Mg²⁺는 Al₂TiO₅ 내에 고용되 었기 때문인 것으로 판단된다.
안정화 Al₂TiO₅는 열역학적 안정제인 MgO로 인해 Al₂TiO₅ 합성이 촉진되어 상대밀도 증가와 기공율 감소를 보였고 ZrO₂로 인해 상온강도 증가를 보였다. 그러나, 소결온도가 증가할수록 상대밀도 감소와 기공율 증가, 상온강도 감소를 보였다. 이는 소결온도 증가에 따라 Al₂TiO₅의 합성이 촉진되어 미세균열의 양이 증가했기 때문으로 판단된다.
이는 소결온도 증가에 따라 Al₂TiO₅의 합성이 촉진되어 미세균열의 양이 증가했기 때문으로 판단된다. 또한 낮은 열팽창계수, 고온 강도의 향상을 보였는데 이는 고온에서 미세균열이 닫히면서 강도가 향상되는 것으로 판단된다. 그러나 소결온도가 증가할수록 미세균열의 양이 많아져 닫히지 못한 미세균열이 많기 때문에 점차 고온강도의 감소를 보였다.
이는 Mg²⁺는 Al₂TiO₅ 내에 고용되 었기 때문인 것으로 판단된다. 밝은 흰색 상은 ZrO₂으로서 높은 평균원자량을 지니기 때문에 가장 밝은 콘트라스트를 가지며 이차상으로서 결정립 내부와 사이에 분포하고 있고 진한 회색 상은 Al₂O₃로 확인되었다. 순수 Al₂TiO₅에 비해 Al₂O₃가 남아 있는 것은 열역학적 안정제인 MgO에 의한 것으로 판단된다.
그림 4(a)는 순수 Al₂TiO₅으로서 Al₂TiO₅, Al₂O₃, 그리고 TiO₂ 피크를 관찰할 수 있었다. 소결온도가 증가할수록 Al₂O₃와 TiO₂ 피크 강도가 저하되고, Al₂TiO₅ 합성양이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 그림 4(b)는 안정화 Al₂TiO₅으로서 Al₂TiO₅, Al₂O₃, 그리고 ZrO₂ 피크를 관찰할 수 있었다.
그림 1은 반응소결온도(이하 소결온도)에 따른 상대밀도와 기공율 측정결과이다. 순수 Al₂TiO₅는 소결온도가 증가할수록 상대밀도가 증가하고 기공율은 감소했고, 순수 Al₂TiO₅ 대비 안정화 Al₂TiO₅는 소결온도가 증가할수록 밀도는 감소하였고 기공율은 증가하였다. 순수 Al₂TiO₅는 미반응 Al₂O₃와 TiO₂로 인해 기공율이 높고 밀도가 낮으나 합성이 진행되면서 기공이 감소하고 밀도가 증가하였다.
그림 4(b)는 안정화 Al₂TiO₅으로서 Al₂TiO₅, Al₂O₃, 그리고 ZrO₂ 피크를 관찰할 수 있었다. 열역학적 안정제인 MgO는 고용체를 이루어 XRD 상으로는 검출이 되지 않았고, 소결온도가 증가할수록 Al₂TiO₅ 피크 강도가 증가하는 경향을 보였는데, 이는 소결온도가 증가할수록 Al₂TiO₅ 결정성이 뚜렷해지는 것을 의미한다. 순수 Al₂TiO₅에서는 소결온도가 증가할수록 합성양이 증가하는 것에 비해 안정화 Al₂TiO₅는 1500^oC에서 Al₂TiO₅ 합성이 충분히 이루어 졌다고 판단된다.
이에 비해 1500℃에서 소결된 안정화 Al₂TiO₅은 상온강도가 순수 Al₂TiO₅ 대비 최대 30 MPa 향상되었고 1100^oC에서 가장 높은 고온강도를 보였으나 온도가 증가할수록 감소하는 경향을 보였다. 이는 고온에서 결정상 성장에 따른 결합력이 저하로 강도가 감소한 것으로 판단된다.
이때 결정립 사이를 지나는 큰 균열들은 합성 중에 생긴 미세균열이 아니고 결정립 계면를 관찰하고자 수행한 열에칭에 의한 열충격을 받아 형성이 된 것으로 판단된다. 전체적으로 기공이 높게 분포하고 미세균열이 결정립계 사이에 존재하며 Al₂TiO₅ 결정립 내외에 TiO₂ 상이 남아 있는 관찰할 수 있었다. 그러나, 소결온도가 증가할 수록 결정립 내에 분포하고 있던 TiO₂ 상이 사라지고 결정립 외에 분포하고 있던 TiO₂ 상은 입계 외에 응집되는 것을 관찰할 수 있었다.

후속연구

7×10⁻⁶/K 이고, TiO₂의 열팽창계수는 α25-1000^oC=9×10⁻⁶/K 이다. 1550^oC에서 열팽창계수가 증가하였다가 1600^oC에서 감소하는 것은 추후 연구가 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Al2TiO5의 강도증진제로 무엇이 사용되는가?	또한 미세균열로 인한 낮은 기계적 강도의 향상을 위해 강도증진제로 ZrO2가 사용된다. ZrO2는 Al2TiO5의 결정립계 사이에 이차상을 형성하여 미세균열의 전파를 방해하고, 1300oC 이상에서의 급격한 결정립 성장을 억제 할 수 있다[13].
	Al2TiO5를 고온구조재료로 사용하기에 적합한 특징은?	Al2TiO5는 높은 용융 온도(1860), 우수한 열충격 저항성과 내침식성, 그리고 낮은 열팽창계수와 낮은 탄성률 및 낮은 열전도도를 가지고 있어 고온구조재료로 쓰이고 있다[1-3]. 이와 같은 특성으로 자동차용 portliner와 tubocharger liners, 비금속용융체와 유리용융체용 내화물로 사용되고 있다.
	Al2TiO5는 어디에 사용되는가?	Al2TiO5는 높은 용융 온도(1860), 우수한 열충격 저항성과 내침식성, 그리고 낮은 열팽창계수와 낮은 탄성률 및 낮은 열전도도를 가지고 있어 고온구조재료로 쓰이고 있다[1-3]. 이와 같은 특성으로 자동차용 portliner와 tubocharger liners, 비금속용융체와 유리용융체용 내화물로 사용되고 있다.

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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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