[논문]탄화붕소-탄화규소 복합체의 미세구조와 기계적 특성

소성민; 김경훈; 박주석; 김민숙; 김형순

doi:10.6111/jkcgct.2019.29.6.338

탄화붕소-탄화규소 복합체의 미세구조와 기계적 특성
Microstructure and mechanical properties of B4C-SiC composites 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.29 no.6, 2019년, pp.338 - 344

소성민 (한국세라믹기술원) , 김경훈 (한국세라믹기술원) , 박주석 (한국세라믹기술원) , 김민숙 (인하대학교 신소재공학과) , 김형순 (인하대학교 신소재공학과)

초록
AI-Helper

B₄C-SiC 복합체를 소결 첨가제 없이 일축가압소결법을 통해 제조하였으며 소결체의 결정상, 상대밀도, 미세구조 및 기계적 특성을 평가하였다. 제조된 B₄C-SiC 복합체에서 B₄C와 SiC는 균일하게 분산되어 결정립 성장을 억제하고 세밀하고 균일한 미세구조를 형성하였으며 이를 통해 B₄C-SiC 복합체의 기계적 특성을 향상시킬 수 있었다. 소결온도 2,000℃, 40 MPa 압력 조건에서 소결된 B₄C-SiC 복합체의 상대밀도는 99.8 % 이상이었으며, B₄C 50 wt% 조성 복합체의 꺾임 강도와 비커스 경도는 각각 약 625 MPa과 30 GPa로 측정되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

B4C-SiC composites were fabricated using hot press sintering method without sintering additives at 1,900~2,000℃ under a pressure of 40 MPa. The crystal phase, relative density, microstructure, and mechanical properties of B4C-SiC composites were evaluated. When B4C and SiC were uniformly dispersed in the composite, grain growth was inhibited, and a sintered body with a fine and uniform microstructure, with improved mechanical properties, was fabricated. The relative density of B4C-SiC composites sintered under 2,000℃ of temperature and 40 MPa of pressure was over 99.8 %, and the bending strength and Vicker's hardness at 50 wt% of B4C were 645 MPa and 30.6 GPa, respectively.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. XRD patterns of B₄C-SiC composites sintered at 2,000℃.
그림 Fig. 2. Raman Shift of B₄C-SiC composites sintered at 2,000℃.
그림 Fig. 3. Variation of relative density of B₄C-SiC composites as a function of sintering temperature.
그림 Fig. 4. SEM image of etched surface of B₄C-SiC composites sintered at 1,900℃.
그림 Fig. 5. SEM image of etched surface of B₄C-SiC composites sintered at 1,950℃.
그림 Fig. 6. SEM image of etched surface of B₄C-SiC composites sintered at 2,000℃.
그림 Fig. 7. Grain size of B₄C-SiC composites sintered at 2,000℃.
그림 Fig. 8. Variation of Vickers hardness of B₄C-SiC composites as a function of sintering temperature.
그림 Fig. 9. Variation of flexural strength of B₄C-SiC composites as a function of sintering temperature.
그림 Fig. 10. Variation of Young’s modulus of B₄C-SiC composites as a function of sintering temperature.
그림 Fig. 11. Fracture toughness of B₄C-SiC composites sintered at 2,000℃.

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구에서는 B₄C-SiC 복합체를 별도의 소결조제 첨가 없이 열간가압소결(Hot press sintering) 방법으로 제조하고, 복합체 조성 변화에 따른 소결 특성의 변화와이에 따른 미세구조 및 기계적 특성을 고찰하였다.

대상 데이터

상업적으로 이용 가능한 B₄C 분말(Grade HS, H. C.Stark, Germany)과 6H 구조를 가지는 α-SiC 분말(15C,Saint-Gobain, Norway)을 출발 원료로 사용하였다. B₄C-SiC 복합체는 B₄C 함량이 30, 50, 70 wt %가 되도록 하였으며 원료 분말을 에탄올 용매와 SiC 볼을 이용하여 12시간 볼밀링하여 균일하게 혼합하였다.

이론/모형

이렇게 제조된 소결체의 밀도는 Archimedes 방법을 통해 측정하였으며, X-ray 회절분석기(Smart Lab, Rigaku,Japan)와 raman spectroscopy 이용하여 결정구조 분석을 진행하였다. 그리고 각각의 시편을 diamond suspension으로 경면 연마 후에 Vicker’s indentation 방법(ZHU 0.2, Zwick Roell, Germany)을 이용하여 10 kgf 하중 조건으로 경도를 측정하였으며 이때 발생한 균열의 길이를 측정하여 파괴인성을 계산하였다. 소결체의 강도는 시편을 3 × 4 × 40 mm로 가공한 후 만능시험기(Z050TN, Zwick Roell, Germany)를 이용하여 3점 측정 방법으로 측정하였다.
준비된 혼합 분말은 50 × 50 mm 소결용 graphite mold에 충진 시킨 후 일축 가압 소결장치(SHP-30, Samyang Ceratech, Korea)를 이용하여 진공분위기에서 40 MPa의 압력을 가하며 1,900~2,000℃ 온도로 1시간 소결하였다. 이렇게 제조된 소결체의 밀도는 Archimedes 방법을 통해 측정하였으며, X-ray 회절분석기(Smart Lab, Rigaku,Japan)와 raman spectroscopy 이용하여 결정구조 분석을 진행하였다. 그리고 각각의 시편을 diamond suspension으로 경면 연마 후에 Vicker’s indentation 방법(ZHU 0.

성능/효과

Hot press sintering 방법을 이용하여 B₄C, α-SiC 분말을 소결 첨가제 없이 2,000℃ 온도에서 소결하여 99.8 % 이상의 상대밀도를 가지는 B₄C-SiC 복합체를 제조할 수 있었다. B₄C-SiC 복합체의 치밀화는 SiC 함량이 높은 B₄C 30 wt% 조성에서 SiC의 상변화와 함께 촉진되었으며, B₄C 함량이 높아질수록 SiC 상전이는 관찰되지 않고 입계 및 체적 확산에 의해 진행되었다.
또한 B₄C-SiC 복합체의 기계적 특성은 소결체의 상대밀도와 미세구조 그리고 잔류 응력에 의해 결정되는 것을 확인하였다. 꺾임강도는 미세구조에서 평균 결정립 크기가 가장 작은 B₄C 50 wt% 조성이 가장 높은 값을 보이며 경정립 크기에 반비례하는 것을 확인하였다.
B₄C-SiC 복합체의 치밀화는 SiC 함량이 높은 B₄C 30 wt% 조성에서 SiC의 상변화와 함께 촉진되었으며, B₄C 함량이 높아질수록 SiC 상전이는 관찰되지 않고 입계 및 체적 확산에 의해 진행되었다. 또한 B₄C-SiC 복합체의 기계적 특성은 소결체의 상대밀도와 미세구조 그리고 잔류 응력에 의해 결정되는 것을 확인하였다. 꺾임강도는 미세구조에서 평균 결정립 크기가 가장 작은 B₄C 50 wt% 조성이 가장 높은 값을 보이며 경정립 크기에 반비례하는 것을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	탄화붕소는 무엇인가?	탄화붕소(boron carbide, B4C)는 경도, 강도, 내마모성,탄성계수 같은 기계적 특성이 우수할 뿐만 아니라 다양한 산과 염기에 안정하며 중성자를 흡수할 수 있는 특성을 지니고 있기 때문에 내 마모 부품, 연마재와 같은 구조 세라믹스(engineering ceramics) 및 원자력 발전용 부품 소재 같이 산업 전반에 널리 응용되고 있는 비산화물 세라믹 재료이다[1-6]. 특히 다른 세라믹스에 비해 비중이(2.
	B4C 소결체 제조 시의 기계적 특성 저하 단점을 억제하기 위한 방법에는 무엇이 있는가?	반면 소결 중 생성되는 SiC, TiC, TiB2,ZrB2와 같은 탄화물(carbide)이나 붕화물(boride) 이차상은 B4C 소결체의 파괴인성과 강도 증진에 효과가 있다고 알려져 있다[14-17]. 따라서 B4C에 탄화물과 붕화물을 첨가하거나 소결 중 탄화물이나 붕화물 이차상을 형성할 수 있는 소결조제를 첨가함으로 B4C의 단점인 낮은 소결성과 파괴인성의 향상을 기대할 수 있다. 그 중에서 탄화규소(Silicon carbide, SiC)는 경도, 강도, 파괴 인성 및 내마모성 같은 기계적 특성이 우수하고 높은 열전도도 및 열충격저항성 등 열적특성도 우수하기 때문에 B4C와 복합체를 형성할 경우 B4C나 SiC 단일체 세라믹스에 비해 낮은 온도에서 소결이 가능하고 강도 같은 기계적 특성을 증진 시킬 수 있다[18,19].
	B4C에는 어떤 단점이 있는가?	52) 낮아 개인용 방호구, 차량 및 비행기용 경량 세라믹 방탄소재로도 응용이 기대된다[7]. 하지만 이러한 우수한 특성에도 불구하고 B4C는 붕소(boron)와 탄소(carbon) 원자간 강한 공유결합을 하고 있기 때문에 낮은가소성, 높은 슬립 저항성과 고온에서도 낮은 확산 계수를 보여 소결 중 물질 이동이 억제되어 치밀화 시키기 어려운 단점을 지니고 있다[1,3-6]. 따라서 치밀한 B4C 소결체를 제작하기 위해서는 2,200℃ 이상 온도 에서 소결해야 하기 때문에 소결 온도를 낮출 수 있는 적절한 소결조제를 첨가하거나 열간가압소결(Hot-press sintering) 같은 가압소결 방법을 사용하는 것이 일반적이다[6,8].

참고문헌 (22)

F. Thevenot, "Boron carbide - a comprehensive review", J. Eur. Ceram. Soc. 6 (1990) 205.

상세보기
L. Vargas Gonzalez, R.F. Speyer and J. Campbell, "Flexural strength, fracture toughness, and hardness of silicon carbide and boron carbide armor ceramics", Int. J. Appl. Ceram. Technol. 7 (2010) 643.

상세보기
H. Lee and R.F. Speyer, "Pressureless sintering of boron carbide", J. Am. Ceram. Soc. 86 (2003) 1468.

상세보기
T.K. Roy, C. Subramanian and A.K. Suri, "Pressureless sintering of boron carbide", Ceram. Int. 32 (2006) 227.

상세보기
R. Telle, L.S. Sigl and K. Takagi, "Boride-based hard materials, in: Handbook of Ceramic Hard Materials" (Wiley-VCH Verlag GmbH, 2000) p. 802.
A.K. Suri, C. Subramanian, J.K. Sonber and T.C.R.C Murthy, "Synthesis and consolidation of boron carbide: a review", Int. Mater. Rev. 55 (2010) 4.

상세보기
M. Grujicic, B. Pandurangan, K.L. Koudela and B.A. Cheeseman, "A computational analysis of the ballistic performance of light-weight hybrid composite armors", Appl. Surf. Sci. 253 (2006) 730.

상세보기
R. Angers and M. Beauvy, "Hot-pressing of boron carbide", Ceram. Int. 10 (1984) 49.

상세보기
C. Greskovich and J.H. Rosolowski, "Sintering of covalent solids", J. Am. Ceram. Soc. 59 (1976) 336.

상세보기
X. Zhang, Z. Zhang, W. Wang, H. Che, X. Zhang, Y. Bai, L. Zhang and Z. Fu, "Densification behaviour and mechanical properties of $B_4C$ -SiC intergranular/intragranular nanocomposites fabricated through spark plasma sintering assisted by mechanochemistry", Ceram. Int. 43 (2017) 1904.

상세보기
C. Cheng, K.M. Reddy, A. Hirata, T. Fujita and M. Chen, "Structure and mechanical properties of boronrich boron carbides", J. Eur. Ceram. Soc. 37 (2017) 4514.

상세보기
J.E. Zorzi, C.A. Perottoni and J. Da Jornada, "Hardness and wear resistance of $B_4C$ ceramics prepared with several additives", Mater. Lett. 59 (2005) 2932.

상세보기
M.S. Datta, A.K. Bandyopadhyay and B. Chaudhuri, "Sintering of nano crystalline ${\alpha}$ silicon carbide by doping with boron carbide", Bull. Mater. Sci. 25 (2002) 181.

상세보기
V. Skorokhod and V.D. Krstic, "High strength-high toughness $B_4C-TiB_2$ composites", J. Mater. Sci. Lett. 19 (2000) 237.

상세보기
K. Sairam, J.K. Sonber, T.S.R.C. Murthy, C. Subramanian, R.C. Hubli and A.K. Suri, "Development of $B_4C-HfB_2$ composites by reaction hot pressing", Int. J. Refract. Metals Hard Mater. 35 (2012) 32.

상세보기
M.S. Asl, M.G. Kakroudi and B. Nayebi, "A fractographical approach to the sintering process in porous $ZrB_2-B_4C$ binary composites", Ceram. Int. 41 (2015) 379.

상세보기
A. Li, Y. Zhen, Q. Yin, L. Ma and Y. Yin, "Microstructure and properties of (SiC, $TiB_2$ )/ $B_4C$ composites by reaction hot pressing", Ceram. Int. 32 (2006) 849.

상세보기
Z. Zhang, X. Du, W. Wang, Z. Fu and H. Wang, "Preparation of $B_4C$ -SiC composite ceramics through hot pressing assisted by mechanical alloying", Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 41 (2013) 270.

상세보기
B.M. Moshtaghioun, A.L. Ortiz, D. Gomez-Garcia and A. Dominguez-Rodriguez, "Toughening of super-hard ultra-fine grained $B_4C$ densified by spark-plasma sintering via SiC addition", J. Eur. Ceram. Soc. 33 (2013) 1395.

상세보기
K. Raju and D. H. Yoon, "Sintering a dditives for SiC based on the reactivity: a review", Ceram. Int. 42 (2016) 17947.

상세보기
Y. Murata and R.H. Smoak, "Densification of silicon carbide by addition of BN, BP and $B_4C$ and correlation to their solid solubilities", in Proceedings of the International Symposium on Factors in Densification and Sintering of Oxide and Non oxide Ceramics (Japan: Hakone) (1978) 382.
M. Taya, S. Hayashi, A.S. Kobayashi and H.S. Yoon, "Toughening of a particulate-reinforced ceramic-matrix composite by thermal residual stress", J. Am. Ceram. Soc. 73 (1990) 1382.

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증