[논문]SiC 세라믹스의 균열치유거동 및 부식특성

황진량; 김대웅; 남기우

doi:10.5574/ksoe.2013.27.5.010

SiC 세라믹스의 균열치유거동 및 부식특성
Crack-healing Behavior and Corrosion Characteristics of SiC Ceramics 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.27 no.5 = no.114, 2013년, pp.10 - 15

황진량 (부경대학교 학연협동기계공학과) , 김대웅 (부경대학교 학연협동기계공학과) , 남기우 (부경대학교 재료공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The crack-healing behavior and corrosion resistance of SiC ceramics were investigated. Heat treatments were carried out from $900^{\circ}C$ to $1300^{\circ}C$. A corrosion test of SiC was carried out in acid and alkaline solutions under KSL1607. The results showed that heat treatment in air could significantly increase the strength. The heat-treatment temperature has a profound influence on the extent of crack healing and the degree of strength recovery. The optimum heat-treatment temperature was $1100^{\circ}C$ for one hour at an atmospheric level. In the two kinds of solutions, the cracks in a specimen were reduced with increasing time, and the surface of the crack healed specimen had a greater number of black and white spots. The strength of the corroded cracked specimen was similar to that of the cracked specimen. The strength of the corroded crack healed specimen decreased 47% and 75% compared to that of the crack healed specimen in the acid and alkaline solutions, respectively. Therefore, the corrosion of SiC ceramics is faster in an alkaline solution than in an acid solution.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 탄화규소 세라믹스의 균열 치유 강도, 산 및 알칼리 용액에서의 부식 특성을 평가하여 구조물 적용의 신뢰성 확보에 기여하고자 한다.

제안 방법

균열재와 균열치유재는 이물질을 초음파 세척하고, 110°C 항온건조기에서 30분 건조한 후, 부식용액에 400시간 침지 실험을 진행하였다. 부식실험은 상온에서 실시하였으며, 50시간마다 흐르는 물에 세척 및 건조하여 부식상태를 확인하였다.

대상 데이터

평균입자의 크기가 0.27μm인 SiC(Ibiden, Ultra fine, Japan)를 사용하였으며, 소결 첨가제는 Al₂O₃(0.1μm, AKP700, Sumitomo chemical, Japan), Y₂O₃(31 nm, CI chemical, Japan)를 사용하였다. 분말들은 이소프로판올과 Si₃N₄볼(Φ5)을 사용하여 24시간 동안 혼합하였다.

이론/모형

균열 치유 전·후의 시험편 표면 관찰은 광학현미경(Optical microscope), SEM(Scanning electron microscopy)을 사용하였으며, 표면의 성분 분석은 EDX(Energy dispersed X-ray)를 사용하였다.
부식실험은 KSL1607의 파인세라믹스의 산 및 알칼리 부식 시험방법에 의하여 실시하였다. 사용한 용액은 H₂SO₄ 3mol/L 및 NaOH 6mol/L이다.

성능/효과

(1) SiC 세라믹스 시험편의 최적의 균열치유온도는 1100°C에서 1시간이고, 균열치유재의 강도는 모재보다 86% 증가하였다.
(2) 산 및 알칼리 용액에 관계없이 광학현미경 및 SEM으로 관찰한 균열재는 부식 시간이 경과함에 따라 균열이 희미해지는 것을 알 수 있었고, 균열 치유재는 표면이 검고, 흰 반점이 증가하였다.
(3) 산 용액 및 알칼리 용액의 균열재는 균열재보다 O가 각각 9% 및 106% 증가하였다. 산 용액 및 알칼리 용액의 균열 치유재는 균열 치유재보다 O가 각각 19% 및 25% 증가하였다.
(4) 부식 균열재는 균열재와 비슷한 강도를 나타내었으나, 부식균열 치유재는 산 및 알칼리 용액에서 균열 치유재의 강도보다 각각 47% 및 70% 감소하였다. 따라서 SiC 세라믹스는 산 용액보다 알칼리 용액에서 부식이 더 빠르다.
산 용액 및 알칼리 용액의 균열 치유재는 균열 치유재보다 O가 각각 19% 및 25% 증가하였다. O 성분의 증가는 부식에 의한 산화물이며, O 증가량은 산성 용액보다 알칼리 용액에서 더 많다.
(4) 부식 균열재는 균열재와 비슷한 강도를 나타내었으나, 부식균열 치유재는 산 및 알칼리 용액에서 균열 치유재의 강도보다 각각 47% 및 70% 감소하였다. 따라서 SiC 세라믹스는 산 용액보다 알칼리 용액에서 부식이 더 빠르다.
(3) 산 용액 및 알칼리 용액의 균열재는 균열재보다 O가 각각 9% 및 106% 증가하였다. 산 용액 및 알칼리 용액의 균열 치유재는 균열 치유재보다 O가 각각 19% 및 25% 증가하였다. O 성분의 증가는 부식에 의한 산화물이며, O 증가량은 산성 용액보다 알칼리 용액에서 더 많다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	탄화규소 소재의 장점은?	탄화규소 소재는 고온 특성과 내방사선 특성이 우수하여 제4세대 원자로의 하나인 초고온가스로 노심 부품과 핵연료 피복재, 핵융합로 블랭킷 구조재와 절연재와, 에너지 산업 및 항공우주산업용 고온부품 소재로 연구되고 있다(Snead et al, 1996; Giancarli et al, 1998; Raffray et al, 2001). 탄화규소 복합재는 구조용 소재로 우수한 성능을 나타내고 있어 일반 산업분야 뿐 아니라 원자력계에서도 많은 연구가 진행되고 있다(Saddow et al, 2004).
	균열을 가진 재료가 자기치유능력을 발휘한다면 어떤 이점이 있는가?	재료에 자기균열치유능력을 부여하여 위험한 균열을 전부 치유한다(Ando et al, 1998). 만약 균열을 가진 재료가 자기치유능력을 발휘한다면, 고효율의 기계가공을 실시한 후, 존재하는 균열을 자기치유하면 가공효율 및 가공 단가에서 이점이 상당히 크고, 표면균열이 전부 치유되기 때문에 신뢰성이 대폭 향상된다(Lee et al, 2005).
	탄화규소 복합재의 세라믹스의 저인성 문제를 어떻게 극복하고 있는가?	탄화규소 복합재는 구조용 소재로 우수한 성능을 나타내고 있어 일반 산업분야 뿐 아니라 원자력계에서도 많은 연구가 진행되고 있다(Saddow et al, 2004). 그러나 세라믹스의 저인성 문제가 적용에 한계를 가지나, 극복할 수단으로 재료의 미시조직제어 및 섬유강화 등에 의하여 재료의 파괴인성을 대폭 향상시킨다. 사용 전에 비파괴검사를 실시하여 위험한 균열을 검출하고 보수한다.

참고문헌 (15)

Ando, K., Ikeda, T., Sato, S., Yao, F. and Kobayasi. A., 1998. A Preliminary Study on Crack Healing Behavior of $Si_{3}N_{4}$ / SiC Composite Cermiacs. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, 21, 119-122.
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