[논문]반응소결 탄화규소 세라믹스의 열물성과 기계적 특성에 미치는 SiC 크기의 영향

권창섭; 오윤석; 이성민; 한윤수; 신현익; 김영석; 김성원

doi:10.4150/kpmi.2014.21.6.467

반응소결 탄화규소 세라믹스의 열물성과 기계적 특성에 미치는 SiC 크기의 영향
Effect of the SiC Size on the Thermal and Mechanical Properties of Reaction-bonded Silicon Carbide Ceramics 원문보기

한국분말야금학회지 = Journal of Korean Powder Metallurgy Institute, v.21 no.6, 2014년, pp.467 - 472

권창섭 (한국세라믹기술원 이천분원 엔지니어링세라믹팀) , 오윤석 (한국세라믹기술원 이천분원 엔지니어링세라믹팀) , 이성민 (한국세라믹기술원 이천분원 엔지니어링세라믹팀) , 한윤수 (한국세라믹기술원 이천분원 엔지니어링세라믹팀) , 신현익 ((주)이노쎄라) , 김영석 ((주)이노쎄라) , 김성원 (한국세라믹기술원 이천분원 엔지니어링세라믹팀)

Abstract ▼ AI-Helper

RBSC (reaction-bonded silicon carbide) represents a family of composite ceramics processed by infiltrating with molten silicon into a skeleton of SiC particles and carbon in order to fabricate a fully dense body of silicon carbide. RBSC has been commercially used and widely studied for many years, because of its advantages, such as relatively low temperature for fabrication and easier to form components with near-net-shape and high relative density, compared with other sintering methods. In this study, RBSC was fabricated with different size of SiC in the raw material. Microstructure, thermal and mechanical properties were characterized with the reaction-sintered samples in order to examine the effect of SiC size on the thermal and mechanical properties of RBSC ceramics. Especially, phase volume fraction of each component phase, such as Si, SiC, and C, was evaluated by using an image analyzer. The relationship between microstructures and physical properties was also discussed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

반면에 곡강도의 경우에는 응력에 의한 균열생성은 구성상 중기계적 물성이 약한 Si로부터 시작되지만 소재의 파괴로 이어지는 균열의 전파의 입장에서는 결국 SiC의 영향이 지배적이고 SiC의 입자크기가 작을수록 균열의 전파가 어려울 것이므로 미립의 SiC 분말을 사용한 경우에 상온에서 ~450 MPa의 최대값을 나타내었다. 본 연구를 통해 열 물성과 기계적 물성이 제어된 RBSC를 제조할 수 있는 기초를 확보하였다고 사료된다.
본 연구에서는 RBSC 복합세라믹스의 미세구조와 열적, 기계적 특성에 미치는 SiC 크기의 효과를 살피기 위하여 반응소결을 이용하여 치밀화된 시편을 제조하였다.
본 연구에서는 평균입도가 다른 세 종류의 SiC 분말을 사용하여 그 크기에 따른 SiC 세라믹스의 미세구조와 열전도도 및 곡강도 변화를 고찰하기 위하여 반응소결을 사용하였다. 그림 1은 본 연구에 사용된 세 가지 SiC 원료 분말의 주사현미경 미세구조이다.
본 연구에서는 평균입자크기가 다른 SiC 분말을 사용하여 성형체를 제조하고 Si를 함침한 RBSC의 미세구조와 열적, 기계적 특성을 살폈다. 특히 SiC 분말입도에 따른 미세구조 변화와 열전도도 및 곡강도 간의 관계를 고찰하였다.
본 연구에서는 평균입자크기가 다른 세 종류의 SiC 분말을 사용하여 반응소결을 통해 제조한 RBSC 세라믹스 소결체의 미세구조와 열전도도 및 곡강도 특성을 살폈다. 소결체 미세구조 내의 Si, SiC, C의 상분율은 원료 SiC 분말의 평균입도에 큰 영향이 없이 근사한 값을 나타냈지만 열전도도와 곡강도의 경우 SiC 분말의 평균입도에 상당히 의존하는 결과를 보였다.

가설 설정

5. (a) Thermal diffusivity and (b) thermal conductivity value as a function of temperature of RBSC ceramics.

제안 방법

우선 크기가 다른 세 종류의 SiC 분말, 즉 Coarse SiC(SIKA ABR I F180, Saint-Gobain, 84 µm), Medium SiC(SIKA ABR I F320S, Saint-Gobain, 35 µm), Fine SiC(SIKA ABR I F1000B, Saint-Gobain, 5 µm) 분말 각각에 10 wt.%의 페놀수지(Kolon Chemical Co., Ltd.)를 첨가한 3가지 조성을 칭량하여 SiC볼을 사용한 볼밀링(ball milling)으로 2 시간 동안 건식혼합하였다. 혼합된 분말은 70℃로 가열된 금형을 사용하여 60 MPa의 하중으로 일축 가압성형한 후 성형체 내의 페놀수지를 탄화하기 위하여 Ar 분위기의 흑연로로 1200℃에서 1 시간동안 열처리하여 SiC-C 골격체(skeleton)를 제조하였다.
4 mm × 3 mm × 40 mm(span 30 mm) 크기로 모따기와 한면 연마를 적용한 시편의 3점 곡강도를 곡강도시험기(RB301 UNITECH, 알앤비, 한국)로 상온에서 평가하였다.
각 소결체에 대하여 미세구조와 열전도도 및 곡강도를 평가하였다. 반응소결 후 표면에 부착된 Si층을 연삭하여 제거하고 6 µm에서 1 µm 직경의 다이아몬드 슬러리로 연마한 후 단면시편의 미세구조를 SEM(Scanning electron microscope, JSM-6770F, JEOL, Japan)으로 관찰하였고 미세구조로부터 Si 기지상의 부피분율을 이미지분석 프로그램(ImageJ)[20]을 이용하여 평가하였다.
기계적 물성으로 3점 곡강도를 측정하였다. 4 mm × 3 mm × 40 mm(span 30 mm) 크기로 모따기와 한면 연마를 적용한 시편의 3점 곡강도를 곡강도시험기(RB301 UNITECH, 알앤비, 한국)로 상온에서 평가하였다.
소결시편의 겉보기밀도는 아르키메데스법을 이용하여 측정하였다. 또한 레이저입도분석기(Laser scattering particle size distribution analyzer, LA-950V2, HORIBA, Japan)를 통해 본 실험에 사용된 SiC 분말의 입도를 분석하였다.
반응소결 후 표면에 부착된 Si층을 연삭하여 제거하고 6 µm에서 1 µm 직경의 다이아몬드 슬러리로 연마한 후 단면시편의 미세구조를 SEM(Scanning electron microscope, JSM-6770F, JEOL, Japan)으로 관찰하였고 미세구조로부터 Si 기지상의 부피분율을 이미지분석 프로그램(ImageJ)[20]을 이용하여 평가하였다.
소재의 비열값은 실험적으로 시차주사열량계(differential scanning calorimeter)로 각 온도에서 시편의 열출입으로부터 측정하거나 열확산도를 주로 측정하는 레이저플레시법을 이용하여 알루미나와 같이 비열이 알려져 있는 표준시편과 측정시편의 온도상승을 비교하여 구할 수 있지만 본 연구에서는 열전도도 측정의 정확성을 높이기 위해 Si(cr), αSiC(cr), C(cr)의 NIST-JANAF table의 비열값을 사용하여 구하였다.
7 mm, 두께가 1 mm 정도 되도록 가공한 후 레이저플래시법(Laser flash analysis, LFA 457 micro flash, Netzsch, Germany)을 이용하여 상온에서 1000℃까지 가열된 시편의 온도에 따라 측정하였다. 열확산도 측정시편에 조사되는 레이저가 투과없이 흡수되고 광원 반대편의 적외선 검출기로 흑체복사가 되도록 연마된 시편 양쪽에 흑연코팅을 하였다. 시편의 열전도도(K)는 측정된 겉보기밀도(ρ), 비열(C_p), 열확산도(λ)를 이용하여 식 (1)과 같이 계산하였다.
제조한 성형체에 Si(Silgrain®, Elkem, 0.2~2 mm)로 제조한 성형체를 올려 흑연진공로에서 Si의 녹는점보다 높은 1600℃에서 2시간동안 진공분위기로 열처리하여 RBSC를 제조하였다.
본 연구에서는 평균입자크기가 다른 SiC 분말을 사용하여 성형체를 제조하고 Si를 함침한 RBSC의 미세구조와 열적, 기계적 특성을 살폈다. 특히 SiC 분말입도에 따른 미세구조 변화와 열전도도 및 곡강도 간의 관계를 고찰하였다.
)를 첨가한 3가지 조성을 칭량하여 SiC볼을 사용한 볼밀링(ball milling)으로 2 시간 동안 건식혼합하였다. 혼합된 분말은 70℃로 가열된 금형을 사용하여 60 MPa의 하중으로 일축 가압성형한 후 성형체 내의 페놀수지를 탄화하기 위하여 Ar 분위기의 흑연로로 1200℃에서 1 시간동안 열처리하여 SiC-C 골격체(skeleton)를 제조하였다. 제조한 성형체에 Si(Silgrain®, Elkem, 0.

대상 데이터

본 연구에서는 평균입도가 다른 세 종류의 SiC 분말을 사용하여 그 크기에 따른 SiC 세라믹스의 미세구조와 열전도도 및 곡강도 변화를 고찰하기 위하여 반응소결을 사용하였다. 그림 1은 본 연구에 사용된 세 가지 SiC 원료 분말의 주사현미경 미세구조이다. SiC 분말의 경우에 크기에 관계없이 각진 입자의 분말 형태로 나타났다.

이론/모형

반응소결 후 표면에 부착된 Si층을 연삭하여 제거하고 6 µm에서 1 µm 직경의 다이아몬드 슬러리로 연마한 후 단면시편의 미세구조를 SEM(Scanning electron microscope, JSM-6770F, JEOL, Japan)으로 관찰하였고 미세구조로부터 Si 기지상의 부피분율을 이미지분석 프로그램(ImageJ)[20]을 이용하여 평가하였다. 소결시편의 겉보기밀도는 아르키메데스법을 이용하여 측정하였다. 또한 레이저입도분석기(Laser scattering particle size distribution analyzer, LA-950V2, HORIBA, Japan)를 통해 본 실험에 사용된 SiC 분말의 입도를 분석하였다.
열확산도 측정용 시편은 직경이 12.7 mm, 두께가 1 mm 정도 되도록 가공한 후 레이저플래시법(Laser flash analysis, LFA 457 micro flash, Netzsch, Germany)을 이용하여 상온에서 1000℃까지 가열된 시편의 온도에 따라 측정하였다. 열확산도 측정시편에 조사되는 레이저가 투과없이 흡수되고 광원 반대편의 적외선 검출기로 흑체복사가 되도록 연마된 시편 양쪽에 흑연코팅을 하였다.

성능/효과

그림 6은 원료 SiC 분말의 평균입도에 따른 RBSC 세라믹스의 상온 3점 곡강도 값이다. 각 RBSC의 곡강도는 200~450 MPa로 원료 SiC 분말의 평균입도에 의존하는 결과를 보였다. 일반적으로 미립의 세라믹스가 조립의 세라믹스에 비해 높은 파괴강도를 나타내는데 이는 크게 두 가지 관점에서 설명[23]될 수 있다.
그림 5(b)는 측정된 겉보기밀도, 비열, 열확산도로부터 계산된 RBSC 소결체의 온도에 따른 열전도도값이다. 계산된 열전도도는 원료 SiC 분말의 입도에 따른 크기순서를 나타내는데 조립의 SiC 분말을 사용한 경우 가장 높은 값을 나타내며 1000℃에서 ~40 W/mK 정도로 나타났다. 소결한 다결정 세라믹스의 열전도도는 동일소재의 단결정에 비해 상당히 낮은 값을 나타내는데 열전도도를 열저항으로 환산하면 단결정 대비 다결정의 열저항변화가 평균입자크기의 제곱근에 비례하는 것으로 알려져 있다[22].
~0)[2], Si의 부피분율, 겉보기밀도를 측정하고 식 (4), (5)를 이용하여 각 구성상의 분율을 계산한 결과를 표 1에 정리하였다. 본 연구에서 제조한 RBSC 내의 Si, SiC 상의 부피분율은 원료 SiC 분말의 평균입도 변화에 따라 일정한 경향을 나타내지는 않았으며 특히 SiC의 부피분율은 성형체 내의 SiC 양과 원료분말의 입도분포 차이에 따른 충진율 차이에 주로 의존하는 것으로 사료된다.
즉 입계가 열저항으로 작용하여 평균입자크기가 작아질수록 입계에 의한 열저항이 증가하여 다결정 세라믹스의 열전도도는 동일한 세라믹스 소재의 단결정에 비해 열전도도가 감소한다는 것이다. 본 연구의 RBSC는 단순한 다결정 세라믹스라기보다는 복합세라믹스라 할 수 있지만 열전도도 거동은 주원료인 SiC 분말의 평균입도에 의존하여 위의 이론으로 설명이 가능하다고 사료되지만 SiC 평균입도에 따른 변화가 이론에서 제시한 정도로 급격하게 나타나지는 않았다.
본 연구에서는 평균입자크기가 다른 세 종류의 SiC 분말을 사용하여 반응소결을 통해 제조한 RBSC 세라믹스 소결체의 미세구조와 열전도도 및 곡강도 특성을 살폈다. 소결체 미세구조 내의 Si, SiC, C의 상분율은 원료 SiC 분말의 평균입도에 큰 영향이 없이 근사한 값을 나타냈지만 열전도도와 곡강도의 경우 SiC 분말의 평균입도에 상당히 의존하는 결과를 보였다. 열전도도의 경우에는 복합체 구성상의 상분율이 유사한 상황에서 입계로부터의 열저항이 최소로 되는 것으로 사료되는 조립의 SiC 분말을 사용한 경우에 1000℃에서 ~40 W/mK의 최대값을 보였다.
조립(coarse), 중립(medium), 미립(fine) 분말의 평균입도, D50이 각각 91.7, 36.8, 5.0 µm로 나타나 원료특성으로 주어진 값과 크게 다르지 않았으며 입도분포도 비교적 좁은 것으로 나타났다.
소결한 다결정 세라믹스의 열전도도는 동일소재의 단결정에 비해 상당히 낮은 값을 나타내는데 열전도도를 열저항으로 환산하면 단결정 대비 다결정의 열저항변화가 평균입자크기의 제곱근에 비례하는 것으로 알려져 있다[22]. 즉 입계가 열저항으로 작용하여 평균입자크기가 작아질수록 입계에 의한 열저항이 증가하여 다결정 세라믹스의 열전도도는 동일한 세라믹스 소재의 단결정에 비해 열전도도가 감소한다는 것이다. 본 연구의 RBSC는 단순한 다결정 세라믹스라기보다는 복합세라믹스라 할 수 있지만 열전도도 거동은 주원료인 SiC 분말의 평균입도에 의존하여 위의 이론으로 설명이 가능하다고 사료되지만 SiC 평균입도에 따른 변화가 이론에서 제시한 정도로 급격하게 나타나지는 않았다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SiC을 상압소결로 치밀화하기 위해서 필요한 온도는?	SiC는 강한 공유결합 특성으로 인해 높은 녹는점을 지니며 격자내부의 자기확산계수(self-diffusion coefficient)가 낮아서 상압소결로 치밀화하기 위해서는 2000℃ 이상의 고온이 필요하므로 일반적으로 산화물 소결조제를 이용한 액상소결, Si 함침을 통한 반응소결, 외부에서 압력을 추가로 가하는 가압소결 등의 치밀화 공정이 널리 쓰인다[2]. 이 중 가압소결은 통상 핫프레스를 사용하여 치밀화구동력으로 온도 외에 외부압력을 사용하는데 고온에서의 입성장을 억제하여 미립의 기계적 특성을 이용하기 위해 방전플라즈마소결(spark plasma sintering)과 같은 급속소결법[8]도 널리 사용된다.
	RBSC는 무엇인가?	RBSC(reaction-bonded silicon carbide)는 SiC 분말을 2000℃ 이상에서 열처리하여 부분적으로 결합(necking)시킨 재결정 SiC(recrystallized silicon carbide) 골격에 액상의 Si를 함침하는 실리콘화 SiC(siliconized silicon carbide) 제조법에서 응용된 공정으로 치밀화된 SiC 소재이다. 기존 실리콘화 SiC와의 차이는 SiC와 C의 성형체에 액상 Si 를 함침하는 것으로 C와 Si가 반응하여 2차 SiC가 합성되면서 완전치밀화에 필요한 공정온도를 낮출 수 있으며[11] 정밀정형(near-net-shape)의 부품제조가 가능[12]하여 산업적으로 널리 사용되고 있다.
	RBSC와 기존 SiC의 차이점은?	RBSC(reaction-bonded silicon carbide)는 SiC 분말을 2000℃ 이상에서 열처리하여 부분적으로 결합(necking)시킨 재결정 SiC(recrystallized silicon carbide) 골격에 액상의 Si를 함침하는 실리콘화 SiC(siliconized silicon carbide) 제조법에서 응용된 공정으로 치밀화된 SiC 소재이다. 기존 실리콘화 SiC와의 차이는 SiC와 C의 성형체에 액상 Si 를 함침하는 것으로 C와 Si가 반응하여 2차 SiC가 합성되면서 완전치밀화에 필요한 공정온도를 낮출 수 있으며[11] 정밀정형(near-net-shape)의 부품제조가 가능[12]하여 산업적으로 널리 사용되고 있다. 다만 소결체 내의 잔류탄소가결함으로 작용하고 최초의 성형밀도가 최종 SiC 양을 좌우하므로 원료의 탄소원료를 바꾸거나[13-15] 다양한 성형공정을 거쳐 SiC 골격체의 성형밀도를 높이고자 하는 연구[16-19]가 많이 이루어지고 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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