Mullite ($3Al_2O_3{\cdot}2SiO_2$) has emerged as a promising candidate for high-temperature structural materials due to its erosion resistance, chemical and thermal stabilities, relatively low thermal expansion coefficient, excellent thermal shock and creep resistances, and low dielectric...
Mullite ($3Al_2O_3{\cdot}2SiO_2$) has emerged as a promising candidate for high-temperature structural materials due to its erosion resistance, chemical and thermal stabilities, relatively low thermal expansion coefficient, excellent thermal shock and creep resistances, and low dielectric constant. However, since the pure mullite sintering temperature is as high as $1,600{\sim}1,700^{\circ}C$, there is an increasing need for a sintering additive capable of improving the strength characteristics while lowering the sintering temperature. Herein we have tried to obtain the optimal sintering additive composition by adding MgO, $Cr_2O_3$, and $Y_2O_3$ to mullite, followed by sintering at $1,325{\sim}1,550^{\circ}C$ for 2 h. With additives of 2 wt% of MgO, 2 wt% of $Cr_2O_3$, 4 wt% of $Y_2O_3$, A density of $3.23g/cm^3$ was obtained for the sintered body at $1,350^{\circ}C$ upon using 2 wt% MgO, 2 wt% $Cr_2O_3$, and 4 wt% $Y_2O_3$ as additives. The three-point flexural strength of that was 275 MPa and the coefficient of thermal expansion (CTE) was $4.15ppm/^{\circ}C$.
Mullite ($3Al_2O_3{\cdot}2SiO_2$) has emerged as a promising candidate for high-temperature structural materials due to its erosion resistance, chemical and thermal stabilities, relatively low thermal expansion coefficient, excellent thermal shock and creep resistances, and low dielectric constant. However, since the pure mullite sintering temperature is as high as $1,600{\sim}1,700^{\circ}C$, there is an increasing need for a sintering additive capable of improving the strength characteristics while lowering the sintering temperature. Herein we have tried to obtain the optimal sintering additive composition by adding MgO, $Cr_2O_3$, and $Y_2O_3$ to mullite, followed by sintering at $1,325{\sim}1,550^{\circ}C$ for 2 h. With additives of 2 wt% of MgO, 2 wt% of $Cr_2O_3$, 4 wt% of $Y_2O_3$, A density of $3.23g/cm^3$ was obtained for the sintered body at $1,350^{\circ}C$ upon using 2 wt% MgO, 2 wt% $Cr_2O_3$, and 4 wt% $Y_2O_3$ as additives. The three-point flexural strength of that was 275 MPa and the coefficient of thermal expansion (CTE) was $4.15ppm/^{\circ}C$.
함량을 변화하면서 시편을 제작하여 1,325~1,550℃에서 2시간 소결하였다. 각 시편의 밀도와 결정구조 및 미세구조를 관찰하였으며, 곡강도와 열팽창계수를 측정하여 반도체 공정 부품 및 세라믹 히터의 적용 가능성을 고찰하였다.
제안 방법
혼합된 분말을 100℃ 오븐에서 24시간 건조한 후, 15ø Pellet형 시편으로 제작하였으며,1,400~1,550℃ 온도영역에서 산화분위기로 2시간 소결하였다. 그리고 뮬라이트에 MgO, Cr2O3, Y2O3를 혼합하여 첨가한 조성에서 Y2O3가 소결특성에 미치는 영향을 관찰하기 위하여 Cr2O3과 MgO는 2 wt%로 각각 고정한 후, Y2O3 함량을 변화하였으며 1,325~1,550℃에서 동일한 조건으로 소결하였다. 뮬라이트 파우더의 입자 크기는 입도분석기(Masterizer S, Malvern, USA)를 사용하여 측정하였으며, 소결된 시편들은 아르키메데스법을 이용하여 소결 밀도를 측정하였다.
본 연구에서는 뮬라이트에 MgO, Cr2O3, Y2O3 함량을 변화하면서 시편을 제작하여 1,325~1,550℃에서 2시간 소결하였다. 각 시편의 밀도와 결정구조 및 미세구조를 관찰하였으며, 곡강도와 열팽창계수를 측정하여 반도체 공정 부품 및 세라믹 히터의 적용 가능성을 고찰하였다.
, Japan)를 이용하였다. 소결 시편의 강도특성 측정은 강도 측정기(R&B, MOR tester,Korea)를 사용하여 3점 곡강도를 측정하였으며, 열팽창계수는 열팽창 측정계(Netzsch, Dilatometer 402C,Germany)를 사용하여 25~300℃ 범위에서 측정하였다.
대상 데이터
본 실험에서 사용된 상용 뮬라이트 분말(Kyoritsu,KM101, Japan)의 평균 입도(D50)는 1.687 ㎛이며, 조성은 Al2O3와 SiO2의 무게비가 72：28로, 뮬라이트 상만 존재하는 영역에 위치한다. Y2O3가 뮬라이트의 소결 밀도에 미치는 영향을 관찰하기 위하여 Y2O3 1, 2,4, 6 wt%를 각각 칭량하여 뮬라이트 분말과 24시간 혼합 분쇄하였다.
이론/모형
그리고 뮬라이트에 MgO, Cr2O3, Y2O3를 혼합하여 첨가한 조성에서 Y2O3가 소결특성에 미치는 영향을 관찰하기 위하여 Cr2O3과 MgO는 2 wt%로 각각 고정한 후, Y2O3 함량을 변화하였으며 1,325~1,550℃에서 동일한 조건으로 소결하였다. 뮬라이트 파우더의 입자 크기는 입도분석기(Masterizer S, Malvern, USA)를 사용하여 측정하였으며, 소결된 시편들은 아르키메데스법을 이용하여 소결 밀도를 측정하였다. 소결된 시편의 미세구조를 관찰하기 위해서 주사전자현미경(JSM6700F, JEOL, Japan)을 사용하였으며, 소결체의 결정상변화 분석을 위해서는 X선 회절분석기(D/MAX2500,Mac Sci.
성능/효과
1) 뮬라이트에 Y2O3 첨가량에 따른 소결 특성 실험 결과 Y2O3 첨가량이 증가함에 따라 소결성이 증가하였으며 Y2O3 를 6 wt% 첨가한 경우 1,400℃에서 3.16 g/cm3의 최대밀도 값을 나타내었다.
2) 뮬라이트에 2 wt% Cr2O3, 2 wt% MgO, 4 wt% Y2O3 를 첨가한 경우 1,350℃에서 최대 밀도값 3.23 g/cm3을 나타내었으며. 3점 곡강도는 275MPa을 나타내었다. 이때 25~300℃ 온도 범위에서 열팽창계수는 4.
3점 곡강도는 275MPa을 나타내었다. 이때 25~300℃ 온도 범위에서 열팽창계수는 4.15 ppm/℃를 나타내었다. Y2O3 첨가에 의해 Y2Si2O7 상, Cristobalite 상, Al2O3 상 및 액상이 증가하였다가 감소함으로써 뮬라이트 세라믹의 치밀화를 유도하여 밀도와 곡강도를 증가시키는 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
뮬라이트의 액상소결을 위한 첨가제로 사용되는 물질은?
뮬라이트의 액상소결을 위한 첨가제로는 Cr2O3 [12], MgO [8], Y2O3 [14] 등이 가장 효과적인 것으로 알려져 있다. 뮬라이트에 MgO의 첨가는 뮬라이트 결정 성장을 촉진시키며, 2 wt% 이하를 첨가했을 때 뮬라이트 상에 고용되고, 그 이상부터 2차상을 형성하는 것으로 알려져 있다 [15].
뮬라이트는 어떤 상으로 존재하는가?
뮬라이트는 실리카와 알루미나의 화합물로 3Al2O3⋅2SiO2의 조성인 중간상이며, 고온에서도 안정적인 상으로 존재한다. 높은 용융온도(＞1,800℃), 내침식성, 화학 및열 안정성, 낮은 열팽창계수(4.
뮬라이트 세라믹스에서 밀도와 Y2O3 첨가할 때 밀도와 곡강도가 증가한 이유는?
15 ppm/℃를 나타내었다. Y2O3 첨가에 의해 Y2Si2O7 상, Cristobalite 상, Al2O3 상 및 액상이 증가하였다가 감소함으로써 뮬라이트 세라믹의 치밀화를 유도하여 밀도와 곡강도를 증가시키는 것으로 사료된다.
참고문헌 (17)
I. A. Aksay, D. M. Dabbs, and M. Sarikaya, J. Am. Ceram. Soc., 74, 2343 (1991). [DOI: https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1991.tb06768.x]
R. Torrecillas, J. M. Calderon, J. S. Moya, M. J. Reece, C.K.L. Davies, C. Olagnon, and G. Fantozzi, J. Eur. Ceram. Soc., 19, 2519 (1999). [DOI: https://doi.org/10.1016/S0955-2219(99)00116-8]
S. I. Gu, H. S. Shin, Y. W. Hong, D. H. Yeo, J. H. Kim, and S. Nahm, J. Korean Inst. Electr. Electron. Mater. Eng., 23, 864 (2010). [DOI: https://10.4313/JKEM.2010.23.11.864]
Z. Sun, Y. Zhou, J. Wang, and M. Li, J. Am. Ceram. Soc., 90, 2535 (2007). [DOI: https://10.1111/j.1551-2916.2007.01803.x]
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