Glass ceramic has a high mechanical strength and low sintering temperature. So, it can be used as a thick film substrate or a high strength insulator. A series of glass ceramic samples based on MgO-$Al_2O_3-SiO_2-ZrO_2$ (MASZ) were prepared by melting at $1,600^{\circ}C$, roll-...
Glass ceramic has a high mechanical strength and low sintering temperature. So, it can be used as a thick film substrate or a high strength insulator. A series of glass ceramic samples based on MgO-$Al_2O_3-SiO_2-ZrO_2$ (MASZ) were prepared by melting at $1,600^{\circ}C$, roll-quenching and heat treatment at various temperatures from $900^{\circ}C$ to $1,400^{\circ}C$. Dependent on the heat treatment temperature used, glass ceramics with different crystal phases were obtained. Their nucleation behavior, microstructure and mechanical properties were investigated with differential thermal analysis (DTA), X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), and Vicker's hardness testing machine. With increasing the heat treatment temperature of MASZ samples, their hardness and toughness initially increase and then reach the maximum points at $1,300^{\circ}C$, and begin to decrease at above this temperature, which is likely to be due to the softening of glass ceramics. As the content of $ZrO_2$ in MAS glass ceramics increases from 7.0 wt.% to 13 wt.%, Vicker's hardness and fracture toughness increase from $853Kg/mm^2$ to $878Kg/mm^2$ and $1.6MPa{\cdot}m^{1/2}$ to $2.4MPa{\cdot}m^{1/2}$ respectively, which seems to be related with the nucleation of elongated phases like fiber.
Glass ceramic has a high mechanical strength and low sintering temperature. So, it can be used as a thick film substrate or a high strength insulator. A series of glass ceramic samples based on MgO-$Al_2O_3-SiO_2-ZrO_2$ (MASZ) were prepared by melting at $1,600^{\circ}C$, roll-quenching and heat treatment at various temperatures from $900^{\circ}C$ to $1,400^{\circ}C$. Dependent on the heat treatment temperature used, glass ceramics with different crystal phases were obtained. Their nucleation behavior, microstructure and mechanical properties were investigated with differential thermal analysis (DTA), X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), and Vicker's hardness testing machine. With increasing the heat treatment temperature of MASZ samples, their hardness and toughness initially increase and then reach the maximum points at $1,300^{\circ}C$, and begin to decrease at above this temperature, which is likely to be due to the softening of glass ceramics. As the content of $ZrO_2$ in MAS glass ceramics increases from 7.0 wt.% to 13 wt.%, Vicker's hardness and fracture toughness increase from $853Kg/mm^2$ to $878Kg/mm^2$ and $1.6MPa{\cdot}m^{1/2}$ to $2.4MPa{\cdot}m^{1/2}$ respectively, which seems to be related with the nucleation of elongated phases like fiber.
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문제 정의
본 연구는 MgO-Al2O3-SiO2-ZrO2(MASZ)의 결정화유리의 결정화 거동 및 기계적 특성에 대한 ZrO2의 함량 및 열처리 온도의 영향을 열 분석, XRD, SEM 미세구조 및 기계적 특성 평가 (비커스경도, 파괴인 성)를 통하여 분석하였다.
본 연구에서는 MgO-Al2O3-SiO2 (MAS) 유리에 ZrO2의 첨가하여 결정화 유리를 제조하고 열처리 조건 및 ZrO2의 함량에 따른 핵 생성 및 결정성장 거동을 조사하고 그에 따른 기계적 특성을 관찰하였다.
제안 방법
온도에 따른 DTA 곡선은 900∼1,000, 1,000∼1,300 및 1,300℃ 이상의 세 구간에서 발열에 의한 기울기의 변화를 보여주며, 이 구간에서 3번의 서로 다른 결정화가 일어나는 것으로 판단된다[11]. DTA 분석 결과를 바탕으로 900, 1,000, 1,100, 1,200, 1,300, 1,400℃ 각각의 온도에서 분당 10℃로 승온시켜 MASZ계 결 정화유리를 제조하였다.
결정상의 주된 peak의 intensity를 비교하였다. 그 후 DTA 분석을 토대로 결정화 온도를 결정하였다. 시편의 미세구조는 광학 현미경과 SEM을 이용하여 관찰하였다.
그 후 DTA 분석을 토대로 결정화 온도를 결정하였다. 시편의 미세구조는 광학 현미경과 SEM을 이용하여 관찰하였다.
유리분말은 10 ø 금속 몰드에 넣고 2.5 ton/m2의 압력으로 성형한 후에 최대온도 900℃∼1,400℃까지 5℃/min로 승온하여 2시간 동안 유지함으로써 최종 측정용 샘플을 제조하였다.
유리의 결정화 온도는 DTA 분석의 발열피크를 통하여 확인하였으며, 각 온도별로 열처리한 시편의 결정화 정도와 결정의 종류를 측정하기 위하여 XRD 분석을 실시하였으며, 측정 조건은 2 ɵ= 20˚~80˚의 범위에서 인가전압 40 KV, 전류 20 mA, scanning speed 4˚/min으로 유지하였다.
최적의 핵형성 온도를 결정하기 위해서 초기 유리 시편을 900℃, 1,000℃, 1,100℃, 1,200℃, 1,300℃, 1,400℃에서 5℃/min으로 소결 후 1시간 동안 유지하여 결정을 성장시켰고, 이렇게 열처리한 시편을 X-선 회절 분석을 하여서 t-ZrO2 결정상의 주된 peak의 intensity를 비교하였다. 그 후 DTA 분석을 토대로 결정화 온도를 결정하였다.
(MASZ)의 제조 공정도를 보여준다. 출발원료인 MgO-Al2O3-SiO2-ZrO2 및 첨가제를 표 1에서 보여주는 것과 같은 중량비로 100 g을 칭량하고, 직경 5 mm의 지르코니아 볼을 사용하여 24 h 동안 건식 분쇄하였다. 분쇄된 유리분말은 알루미나 도가니에 넣어 전기로를 이용하여 1,600℃에서 2시간 유지하여 용융시킨 후에 실온의 흑연판 위에 급냉시켜 유리를 제조하였다.
대상 데이터
각 조건별로 열처리한 시편을 #400∼2,000의 연마지로 연마한 후 3 μm와 5 μm 입자의 연마지로 경면연마하였다.
데이터처리
파괴인성은 시편별로 5회 이상 압자입법으로 측정하여 그 평균값을 취하였다.
이론/모형
이 때의 비이커스 경도측정 조건은 loading time 10 sec이었으며 압입하중은 10 kgf로 일정하게 유지하였다. 압자압입 후 median/radial 균열이 생성된다고 알려진 압입후의 균열 길이와 대각선 길이의 반의 비 (c/a)가 2.5 이상인 조건을 만족하는 범위에서 Evance와 Charles에 의하여 제시된 다음 식에 의하여 파괴인성 값을 구하였다 [10].
각 조건별로 열처리한 시편을 #400∼2,000의 연마지로 연마한 후 3 μm와 5 μm 입자의 연마지로 경면연마하였다. 이렇게 경면 연마한 시편을 비이커스 압자 압입법에 의하여 파괴인성 값 (KIC)을 측정하였다. 이 때의 비이커스 경도측정 조건은 loading time 10 sec이었으며 압입하중은 10 kgf로 일정하게 유지하였다.
성능/효과
5 wt.% (MASZ2 샘플)로 증가함에 따라 비커스 경도 및 파괴인성은 각각 853 Kg/mm2에서 878 Kg/mm2, 1.6 MPa●m1/2에서 1.8 MPa●m1/2로 서서히 증가함을 보여준다. 한편, ZrO2의 함량이 10.
0 wt.% (MASZ3 샘플)로 더욱 증가하게 되면 비커스 경도 및 파괴인성은 각각 878 Kg/mm2 에서 944 Kg/mm2, 1.8 MPa●m1/2에서 2.4 MPa●m1/2로 급격히 증가함을 알 수 있으며, 이는 그림 9(c)의 미세구조에서 관찰되는 섬유상에 의한 강화효과에 의한 것으로 사료된다.
MASZ 결정화유리의 비커스 경도와 파괴인성은 열처리 온도가 증가됨에 따라 연속적으로 증가하여 1,300℃ 부근에서 최대치를 보이고 그 이상의 온도에서는 결정화유리의 연화로 인하여 다시 감소하였다. ZrO2의 함량이 13 wt% 첨가된 MASZ 결정화유리를 1,300℃에서 열처리한 샘플에서 비커스 경도 및 파괴 인성은 각각 944 Kg/mm2 와 2.
MASZ 결정화유리의 비커스 경도와 파괴인성은 열처리 온도가 증가됨에 따라 연속적으로 증가하여 1,300℃ 부근에서 최대치를 보이고 그 이상의 온도에서는 결정화유리의 연화로 인하여 다시 감소하였다. ZrO2의 함량이 13 wt% 첨가된 MASZ 결정화유리를 1,300℃에서 열처리한 샘플에서 비커스 경도 및 파괴 인성은 각각 944 Kg/mm2 와 2.4 MPa●m1/2의 최대치를 나타내었다.
의 결정화에 의해 생긴 것으로 사료된다. 코디어라트 상인 Mg2Al4Si5O18 XRD 회절 패턴들이 열처리 온도 1,200℃에서 나타나기 시작하여 열처리 온도가 1,400℃까지 올라감에 따라 peak의 강도는 점차적으로 증가함을 보여주며, 온도가 올라감에 따라 핵 생성되는 코디어라이트 Mg2Al4Si5O18 상이 증가됨을 알 수 있다.
900℃에서 열처리한 샘플에는 그림 3에서 나타난 m-ZrO2와 t-ZrO2의 결정상들이 관찰되지 않으나, 이는 핵 생성된 결정들이 매우 작기 때문으로 사료되며, 1,000℃에서 열처리한 샘플에는 m-ZrO2와 t-ZrO2의 결정상으로 보이는 많은 이차상들이 관찰되고 있다. 한편, 1,100℃의 열처리 온도에서는 이차상의 수는 급격히 감소되었다가, 열처리 온도가 증가함에 따라 1,200℃에서 코디어라이트 Mg2Al4Si5O18 상이 나타나고, 1,300℃에서 SiO2, ZrO2 및 ZrSiO4상이 새롭게 핵 생성되어 1,300℃에서 가장 많은 이차상을 보여 주며 결정상 입자가 치밀해져 다른 온도에서 소결된 시편들 보다 더욱 높은 강도 증진의 효과를 알 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
결정화 유리란 무엇인가?
결정화 유리 (glass ceramic)는 유리 조성을 용융상태에서 급냉하여 비정질화한 후에 재가열 처리함으로써 비정질의 유리상 내에 한 개 이상의 결정상이 생성되도록 한 물질이다. 결정상 유리의 기계적 특성 및 열팽창계수 등은 유리 조성과 열처리 조건 등에 크게 의존한다[1].
코디어라이트는 어떤 특징을 갖는 소재인가?
따라서 결정화 유리의 제조, 새로운 조성의 발견과 그 응용 등에 관하여 많은 연구가 진행되고 있다[2,3]. 코디어라이트 (cordierite)는 MgO-Al2O3-SiO2 (MAS)로 이루어진 결정화 유리로서 기계적 특성 및 내화학성이 우수하고, 코디어라이트 결정상의 형성영역이 넓고, 열팽창 계수가 매우 작은 우수한 열충격 저항성을 갖는 소재이다[4].
핵 생성을 촉진시키기 위해 유리전이온도를 낮추거나, 임계 상전이 에너지의 배리어를 낮춰야하는 과정에서 중요한 핵 생성제의 역할은 무엇인가?
핵 생성을 촉진시키기 위해서는 유리전이온도를 낮추거나 핵 생성에 필요한 임계 상전이 에너지의 barrier를 낮춰야 한다. 이와 같은 이유에서 핵 생성제의 역할이 큰 비중을 차지하게 되는데, 이러한 핵 생성제는 유리 내 상분리를 촉진시키거나 상전이 에너지 barrier를 낮추는 역할을 함으로써 핵 생성의 발생을 돕는 촉매 역할을 하며 [12], 대표적으로 ZrO2, TiO2 등이 있다.
참고문헌 (15)
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