[논문]서브마이크론/나노 크기의 SiC 비율변화에 따른 ZrB2-SiC 세라믹스의 열적, 기계적 특성

김성원; 채정민; 이성민; 오윤석; 김형태

doi:10.4191/kcers.2013.50.6.410

서브마이크론/나노 크기의 SiC 비율변화에 따른 ZrB2-SiC 세라믹스의 열적, 기계적 특성
Thermal and Mechanical Properties of ZrB2-SiC Ceramics Fabricated by Hot Pressing with Change in Ratio of Submicron to Nano Size of SiC 원문보기

한국세라믹학회지 = Journal of the Korean Ceramic Society, v.50 no.6, 2013년, pp.410 - 415

김성원 (한국세라믹기술원 엔지니어링세라믹센터) , 채정민 (한국세라믹기술원 엔지니어링세라믹센터) , 이성민 (한국세라믹기술원 엔지니어링세라믹센터) , 오윤석 (한국세라믹기술원 엔지니어링세라믹센터) , 김형태 (한국세라믹기술원 엔지니어링세라믹센터)

Abstract ▼ AI-Helper

$ZrB_2$-SiC ceramics are fabricated via hot pressing with different ratios of submicron or nano-sized SiC in a $ZrB_2$-20 vol%SiC system, in order to examine the effect of the SiC size ratio on the microstructures and physical properties, such as thermal conductivity, hardness, and flexural strength, of $ZrB_2$-SiC ceramics. Five different $ZrB_2$-SiC ceramics ($ZrB_2$-20 vol%[(1-x)SiC + xnanoSiC] where x = 0.0, 0.2, 0.5, 0.8, 1.0) are prepared in this study. The mean SiC particle sizes in the sintered bodies are highly dependent on the ratio of nano-sized SiC. The thermal conductivities of the $ZrB_2$-SiC ceramics increase with the ratio of nano-sized SiC, which is consistent with the percolation behavior. In addition, the $ZrB_2$-SiC ceramics with smaller mean SiC particle sizes exhibit enhanced mechanical properties, such as hardness and flexural strength, which can be explained using the Hall-Petch relation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 ZrB_2^-20 vol%SiC에서 크기가 다른 SiC의 분율을 변화시켜 사용하여 가압소결한 시편의 미세구조와 열적, 기계적 물성의 변화를 고찰하였다.
계 세라믹스를 제조하기 위해서는 치밀화된 미세구조에 대한 평가가 선행되어야 한다. 본 연구에서는 나노 혹은 서브마이크론 크기의 SiC를 첨가하고 고온가압소결로 제조한 ZrB_2^-20 vol%SiC 세라믹스에 대하여 미세구조를 평가하고 기계적, 열적 특성의 변화를 고찰하였다.
본 연구에서는 서브마이크론/나노 크기의 SiC 분율에 따른 ZrB_2^-20 vol%[(1-x)SiC + xnanoSiC] (x = 0.0, 0.2, 0.5, 0.8, 1.0) 세라믹스의 미세구조와 열적, 기계적 물성 변화를 고찰하기 위하여 고온가압소결을 사용하여 시편을 제조하였다. Table 1은 본 연구에서 사용된 ZrB_2^-SiC 세라믹스 조성과 가압소결 후의 상대밀도 값이다.
본 연구에서는 크기가 두 종류인 SiC 분말을 이용하여 ZrB_2^-20 vol%[(1-x)SiC + xnanoSiC] (x = 0.0, 0.2, 0.5, 0.8, 1.0)가 되도록 세라믹 분말공정과 고온가압소결을 이용하여 시편을 제조하고 크기가 다른 SiC의 분율에 따른 ZrB_2^-SiC 세라믹스의 미세구조와 열적/기계적 특성에 미치는 영향을 살폈다.

제안 방법

4 mm × 3 mm × 40 mm (span 30 mm) 크기로 모따기와 한면 연마를 적용한 시편의 3점 곡강도를 곡강도시험기(RB301 UNITECH, R&B, Korea)로 상온에서 측정하였다.
Fig. 1의 SEM 미세구조를 ImageJ 프로그램을 적용하여 단면미세구조상에 나타나는 SiC 입자의 평균크기와 크기 분포를 정량화하였다. ImageJ 프로그램에서는 주어진 미세구조를 특정임계 콘트라스트에 대해서 이치화(binarization)하여 해당입자의 평균크기 등을 구할 수 있다.
ImageJ 프로그램에서는 주어진 미세구조를 특정임계 콘트라스트에 대해서 이치화(binarization)하여 해당입자의 평균크기 등을 구할 수 있다. ZrB₂ 입자의 경우에는 콘트라스트로 각 입자를 구분하는 것이 불가능하여 서브마이크론의 SiC만 첨가한 조성을 제외한 네 가지 미세구조에 대해서 SiC 크기를 구하였고 SiC 입자가 근접한 경우에는 서로 다른 입자로 고려하여 ImageJ를 적용하였다. Fig.
각 소결체에 대해서 미세구조와 열전도도, 경도, 곡강도 등을 평가하였다. 소결 후 표면에 부착된 흑연층을 연삭하여 제거하고 6 µm에서 1 µm 직경의 다이아몬드 슬러리로 연마한 후 단면시편의 미세구조를 SEM(Scanning electron microscope, JSM-6770F, JEOL, Japan)으로 관찰하였고 미세구조로부터 SiC 입자의 평균크기를 ImageJ 프로그램¹⁷⁾을 이용하여 평가하였다.
본 연구에서는 ZrB2-20 vol%SiC 세라믹스에 서브마이크론 혹은 나노 크기의 SiC 분율을 조정하여 1900°C에서 2 시간동안 30 MPa 가압소결하여 소결체를 제조하고 시편의 미세구조와 열적, 기계적 물성을 살폈다.
비열의 경우 레이저플레시 법을 이용하여 알루미나와 같이 비열이 알려져 있는 표준시편과 측정시편의 온도상승을 비교하여 비열을 측정할 수 있으며 본 연구에서는 열전도도 평가의 정확성을 높이기 위해 ZrB2(cr)과 α-SiC(cr)의 NIST-JANAF table의 비열값을 사용하여 ZrB2-20vol%SiC에 대한 혼합률로 구하였다.
소결 후 표면에 부착된 흑연층을 연삭하여 제거하고 6 µm에서 1 µm 직경의 다이아몬드 슬러리로 연마한 후 단면시편의 미세구조를 SEM(Scanning electron microscope, JSM-6770F, JEOL, Japan)으로 관찰하였고 미세구조로부터 SiC 입자의 평균크기를 ImageJ 프로그램17)을 이용하여 평가하였다.
연마한 시편의 경도를 마이크로 비커스 경도계(HMV2T, Shimadzu, Japan)로 측정하였다. 4 mm × 3 mm × 40 mm (span 30 mm) 크기로 모따기와 한면 연마를 적용한 시편의 3점 곡강도를 곡강도시험기(RB301 UNITECH, R&B, Korea)로 상온에서 측정하였다.
5 mm, 두께가 1 mm 정도 되도록 가공한 후 레이저플래시법(laser flash analysis, LFA 457 micro flash, Netzsch, Germany)을 이용하여 1100℃까지 가열된 시편의 온도에 따라 측정하였다. 열확산도 측정시편에 조사되는 레이저가 투과없이 흡수되고 광원 반대편의 적외선 검출기로 흑체복사가 되도록 연마된 시편 양쪽에 흑연 코팅을 하였다. 시편의 열전도도(K)는 측정된 겉보기밀도(ρ), 비열(C_p), 열확산도(λ)를 이용하여 식 (1)과 같이 계산하였다.
한 종류의 ZrB2 (Grade-F, 1.88 µm, Japan New Metals Co. Ltd., Japan)와 크기가 다른 두 종류의 SiC (FCP 15C, 0.5 µm, SIKA Tech., Germany), nano SiC(nano powder,< 100 nm, ALDRICH, Germany)의 분말을 이용하여 Table 1에 주어진 바와 같이 ZrB2-20 vol%[(1-x)SiC + xnanoSiC] (x = 0.0, 0.2, 0.5, 0.8, 1.0)이 되도록 칭량한 5가지 조성을 준비하여 SiC 볼과 이소프로필 알코올(Isopropyl alcohol)을 혼합매질로 사용한 볼밀링으로 24 시간 동안 습식혼합 후 건조하였다.

대상 데이터

사용한 SEM 단면 미세구조는 32 ×26 μm2 크기로 조성에 따라 약 120-170개의 SiC 입자를 정량화하였다.

이론/모형

열전도도 측정용 시편은 직경이 12.5 mm, 두께가 1 mm 정도 되도록 가공한 후 레이저플래시법(laser flash analysis, LFA 457 micro flash, Netzsch, Germany)을 이용하여 1100℃까지 가열된 시편의 온도에 따라 측정하였다. 열확산도 측정시편에 조사되는 레이저가 투과없이 흡수되고 광원 반대편의 적외선 검출기로 흑체복사가 되도록 연마된 시편 양쪽에 흑연 코팅을 하였다.

성능/효과

나노크기 SiC 첨가분율이 증가하면서 SiC 평균입자크기가 감소하였는데 나노크기의 SiC만 첨가한 경우에는 오히려 분말 응집으로 인한 입자크기 증가가 나타났다. SiC 평균입자 크기 감소에 따라 열전도도, 경도, 강도의 열적, 기계적 물성이 향상되었는데 이는 각각 퍼콜레이션과 Hall-Petch 관계를 이용하여 설명할 수 있었다.
4는 밀도, 비열, 열확산도로부터 계산된 1900°C에서 2 시간동안 30 MPa 가압소결한 ZrB_2^-20 vol% SiC 세라믹스의 SiC 크기분율과 온도에 따른 열전도도이다. 계산된 열전도도는 온도에 따라 50 ~ 100 W/mK 정도로 나타났으며 나노 SiC 첨가분율이 증가할수록 열전도도도 증가하는 경향을 나타냈다.
또한, Hall-Petch 관계²⁵⁾로 알려진 입자크기와 기계적 물성간의 연관성이 소재의 경도에 미치는 주요한 요인임을 고려하면 나노크기의 SiC 첨가분율에 따른 미세 구조상의 SiC 평균크기와 경도값의 변화가 일관된 경향을 나타내는 것으로 사료된다. 곡강도 값의 변화도 나노 크기의 SiC 첨가분율에 따른 경도값과 유사한 경향을 보이는데 보고된 ZrB_2^-20 vol% SiC 세라믹스의 곡강도값은 500-1000 MPa이며 특히 SiC의 평균크기가 감소할수록 증가하는 경향을 보인다.^4,7)
사용한 SEM 단면 미세구조는 32 ×26 μm² 크기로 조성에 따라 약 120-170개의 SiC 입자를 정량화하였다. 그림에서 알 수 있듯이 나노크기의 SiC가 첨가됨에 따라 소결체 미세구조상의 SiC 평균크기가 감소하다가 나노크기만 사용한 경우에는 오히려 평균크기가 증가하는 경향을 보였다. 또한, SiC 입자크기의 누적빈도 결과(Fig.
20 vol%SiC 세라믹스에 서브마이크론 혹은 나노 크기의 SiC 분율을 조정하여 1900°C에서 2 시간동안 30 MPa 가압소결하여 소결체를 제조하고 시편의 미세구조와 열적, 기계적 물성을 살폈다. 나노크기 SiC 첨가분율이 증가하면서 SiC 평균입자크기가 감소하였는데 나노크기의 SiC만 첨가한 경우에는 오히려 분말 응집으로 인한 입자크기 증가가 나타났다. SiC 평균입자 크기 감소에 따라 열전도도, 경도, 강도의 열적, 기계적 물성이 향상되었는데 이는 각각 퍼콜레이션과 Hall-Petch 관계를 이용하여 설명할 수 있었다.
나노크기의 SiC 분율에 따른 ZrB_2^-SiC 세라믹스의 미세구조와 열적, 기계적 물성 변화에 대한 연구를 통해 주어진 SiC 첨가량에서 SiC 크기분율과 분산 등을 통한 미세구조제어를 통해서 ZrB_2^-SiC 세라믹스의 물성을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
4에서 ZrB_2^-20 vol%SiC 시편의 열전도도는 나노크기의 SiC가 첨가되면서 증가하는데 특히 보고된 ZrB₂와 SiC의 열전도도가 각각 ~ 60 W/mK⁴⁾과 100 ~ 300 W/mK²⁴⁾인 점을 감안하면 나노크기의 SiC 첨가에 따라 ZrB_2^-SiC 세라믹스의 열전도도가 퍼콜레이션 역치에 근접한 거동을 나타내는 것으로 사료된다. 다만, 나노크기의 SiC만 첨가된 경우에는 미세구조 정량화 결과에서는 SiC 입자크기가 다시 증가하여 SiC 입자간의 응집이 나타났으나 열전도도 값은 오히려 다소 상승한 것으로 나타났다. He등의 연구²⁰⁾에 따르면, 절연성 기지상에 전도성 분산상이 존재하는 복합체의 경우, 분산상의 입자크기가 기지상 입자크기의 1/2에서 1/6로 감소할 때 퍼콜레이션 역치가 0.
13으로 감소한다. 본 연구에서 SiC의 첨가량은 20 vol%로 고정되어 있으나 나노크기의 SiC 첨가분율이 증가하면서 SiC 입자크기의 감소로 인하여 ZrB_2^-SiC 세라믹스의 열전도도가 SiC의 그것에 근사하는 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ZrB2-계 세라믹스의 산화저항성을 향상하기 위해 첨가하는 것은?	ZrB2 분말은 공유결합의 특성이 강하여 입내/입계 확산속도가 매우 낮으므로 치밀화하기 위해 상당한 고온이 필요하며,7) 이러한 난소결 특성으로 인하여 ZrB2-계 세라믹스는 고온가압소결, 방전플라즈마소결, 반응고온가압소결, 무가압소결 등 다양한 공정으로 치밀화되고 있다.4,7,8) 또한, ZrB2-계 세라믹스의 산화저항성을 향상하기 위해 SiC가 첨가4,7,9,10)되는데, SiC 첨가는 산화저항성 외에 ZrB2-계 세라믹스의 기계적,11-13) 열적 특성의 향상13-16)에도 기여하는 것으로 알려져 있다.
	ZrB2-20 vol%SiC 세라믹스에 나노 크기의 SiC 첨가분율이 증가함에 따라 어떤 영향이 나타나는가?	본 연구에서는 ZrB2-20 vol%SiC 세라믹스에 서브마이크론 혹은 나노 크기의 SiC 분율을 조정하여 1900°C에서2 시간동안 30 MPa 가압소결하여 소결체를 제조하고 시편의 미세구조와 열적, 기계적 물성을 살폈다. 나노크기 SiC 첨가분율이 증가하면서 SiC 평균입자크기가 감소하였는데 나노크기의 SiC만 첨가한 경우에는 오히려 분말 응집으로 인한 입자크기 증가가 나타났다. SiC 평균입자 크기 감소에 따라 열전도도, 경도, 강도의 열적, 기계적 물성이 향상되었는데 이는 각각 퍼콜레이션과 Hall-Petch 관계를 이용하여 설명할 수 있었다.
	ZrB2 분말의 특징은?	ZrB2-계 세라믹스를 초고온 세라믹스로 적용하기 위해서는 치밀화하는 공정이 필수적이다. ZrB2 분말은 공유결합의 특성이 강하여 입내/입계 확산속도가 매우 낮으므로 치밀화하기 위해 상당한 고온이 필요하며,7) 이러한 난소결 특성으로 인하여 ZrB2-계 세라믹스는 고온가압소결, 방전플라즈마소결, 반응고온가압소결, 무가압소결 등 다양한 공정으로 치밀화되고 있다.4,7,8) 또한, ZrB2-계 세라믹스의 산화저항성을 향상하기 위해 SiC가 첨가4,7,9,10)되는데, SiC 첨가는 산화저항성 외에 ZrB2-계 세라믹스의 기계적,11-13) 열적 특성의 향상13-16)에도 기여하는 것으로 알려져 있다.

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