다음에 대한 6가지 소결 공정 실리콘 카바이드 세라믹

탄화규소(SiC) 세라믹 소결에 대하여

높은 경도, 높은 융점, 높은 내마모성 및 내식성뿐만 아니라 우수한 내산화성, 고온 강도, 화학적 안정성, 열충격 저항성, 열전도성 및 기밀성을 갖춘 실리콘 카바이드 세라믹은 광범위한 응용 분야를 가지고 있습니다.

현재 탄화규소 세라믹의 소결 방법은 주로 열간 프레스 소결, 비압착 소결, 반응 소결, 재결정화 소결, 마이크로파 소결 및 방전 플라즈마 소결을 포함합니다.

핫 프레스 소결

열간 압축 소결은 실리콘 카바이드 분말을 금형에 넣고 가열하는 동시에 20~50MPa의 축방향 압력을 가하는 공정입니다. 이는 입자 간의 접촉, 확산 및 유동을 증진시키고, 소결 공정에서 입자의 재배열과 치밀화를 촉진하는 데 도움이 됩니다.

열간 압축 소결 공정은 간단하며, 제품의 밀도가 높아 99%의 이론 밀도 이상에 도달할 수 있습니다. 열간 압축 소결 시 온도가 낮기 때문에 결정립의 성장이 억제됩니다. 그 결과 생성된 소결 입자는 미세하고 강도가 높습니다. 그러나 열압 소결 장비는 복잡하고, 금형 재료에 대한 요구 사항이 높으며, 생산 공정 요건이 엄격하여 단순한 형상의 부품 제조에만 적합합니다. 또한 에너지 소비가 많고, 생산 효율이 낮으며, 생산 비용이 높습니다.

무압 소결

실리콘 카바이드의 비압 소결 공정은 고상 소결과 액상 소결로 나눌 수 있습니다.

고체상 소결의 주요 단점은 다음과 같습니다. 높은 소결 온도(> 2000℃)가 필요하며, 원료의 순도가 높아야 합니다. 또한 소결체는 파단 인성이 낮고 균열 강도에 대한 민감도가 높습니다. 이는 거친 결정립과 구조의 균일성 저하로 나타납니다. 그리고 파단 양상은 전형적인 결정립 간 파단입니다. 최근 몇 년간 국내외의 실리콘 카바이드 세라믹스 연구는 액상 소결에 초점을 맞추고 있습니다.

액상 소결의 실현은 Y2O3 이원, 삼원 첨가제와 같은 특정 수의 다변량 공융 산화물 소결 첨가제를 기반으로하며, SiC 및 그 복합 재료는 저온에서 액상 소결, 치밀화를 제공하여 재료를 실현할 수 있습니다, 동시에 입자 경계에 액상이 도입되고 독특한 계면 결합 강도 약화로 인해 세라믹 재료가 입계 파단 모드로 침입하는 세라믹 재료 방식으로 인해 세라믹 재료의 파단 인성이 크게 향상 될 수 있습니다.

반응 소결

반응 소결에 의한 탄화규소 제조 공정은 탄화규소 분말에 적정량의 탄소 함유 물질을 미리 혼합하고 탄화규소 분말 내 탄소와 잔류 실리콘의 고온 반응을 이용하여 새로운 탄화규소를 합성하여 조밀한 구조를 갖는 탄화규소 세라믹을 형성하는 것입니다.

반응 소결 공정은 소결 온도가 낮고, 소결 시간이 짧으며, 근형 성형이 가능하다는 등의 장점을 가지고 있습니다. 이는 대형 및 복잡한 형상의 실리콘 카바이드 세라믹을 제조하는 데 가장 효과적인 방법입니다. 그러나 반응 소결은 소결 제품의 밀도 불균일, 소결 제품의 균열 발생 경향, 또한 소결 공정 중 실리콘의 침투가 불충분한 문제도 있다. 게다가 이 소결 공정은 원료에 대한 요구 사항이 까다롭고, 에너지 소비량이 많으며, 생산 비용이 높다.

재결정 소결

재결정화된 SiC 세라믹 소재는 빌렛 성형 후와 달리 입자 크기가 단계적으로 배열된 기둥 형태를 띠며, 슬래브 내의 미세 입자들은 거친 입자의 기공 사이에 고르게 분포될 수 있습니다. 그리고 2100 ℃ 이상의 고온에서 보호 분위기의 조건 하에 약간의 유동이 발생하면, SiC 미세 입자는 증발 후 응축을 거쳐 거친 입자의 접촉점에 서서히 침전되며, 미세 입자가 완전히 사라질 때까지 이 과정이 반복됩니다. 이러한 증발-응축 메커니즘의 결과로, 입자의 목 부분에 새로운 입계면이 형성되어 미세 입자가 이동하고, 큰 입자와 일정한 다공성을 가진 소결체 사이에 다리 구조가 형성됩니다.

이 세라믹 소재는 뚜렷한 넥 성장 과정이 진행됨에도 불구하고 수축이 발생하지 않습니다. 결과: 소결 과정에서 제품의 밀도가 변하지 않기 때문에 강도는 상대적으로 낮습니다. 그러나 이 세라믹 소재의 장점은 소결 과정에서 별도의 소결 보조제가 필요하지 않다는 점입니다. 또한 소결체는 단일 SiC 결정상으로 이루어져 있어, 이 소재는 뛰어난 내산화 성능을 지닙니다. 한편, 소결 공정을 통해 변형 없이 고정밀 치수를 가진 대형 제품을 생산할 수 있습니다.

마이크로파 소결

전통적인 소결 공정과 비교하여 마이크로파 소결은 마이크로파 전자기장에서 재료의 유전체 손실을 이용하여 전체 재료를 소결 온도로 가열하여 소결 및 치밀화를 실현합니다. 기존의 소결 방식에 비해 마이크로파 소결은 낮은 소결 온도, 빠른 가열 속도, 우수한 재료 밀도 등 많은 장점이 있습니다. 동시에 마이크로파 소결은 재료의 질량 전달 과정을 가속화하여 미세 입자 재료를 얻습니다.

방전 플라즈마 소결

방전 플라즈마 소결 기술은 블록 재료 제조를 위한 새로운 분말 야금 기술입니다. 이 기술은 고에너지 전기 스파크를 이용하여 저온에서 단시간 내에 시료의 소결 공정을 완료합니다. 금속 재료, 세라믹 재료 및 복합 재료의 제조에 활용될 수 있습니다. 소결 공정에서 입자 간에 발생하는 순간적인 방전과 고온 플라즈마는 분말 입자 표면의 불순물(산화막 등) 및 흡착된 가스를 분해하거나 제거하고, 분말 입자 표면을 활성화시킵니다. 이를 통해 소결 품질과 효율을 향상시킵니다.

방전 플라즈마 소결 기술을 이용하여 Al₂O₃ 및 Y₂O₃ 촉진제를 첨가한 SiC 분말을 신속하게 소결하였으며, 이를 통해 고밀도 SiC 세라믹을 얻을 수 있었다.

실리콘 카바이드 구조용 세라믹 부품

다양한 우수한 특성 덕분에, 고온 베어링, 방탄판, 노즐, 고온 내식성 부품 등에 널리 사용됩니다. 또한 SiC 세라믹으로 제작된 고온 및 고주파 범위의 전자 장비 부품은 석유, 화학, 마이크로전자공학 및 기타 분야는 물론, 자동차, 항공우주, 항공, 제지, 레이저, 광업, 원자력 등 다양한 산업 분야에서 널리 사용되고 있습니다.

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