SiC 소결조제 및 SiCf/SiC 복합체 제조에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

소결 첨가제는 고밀도 SiC의 제조에서 중요한 역할을 한다. 소결 온도 뿐만 아니라 SiC 액상 소결에서 외부압력을 줄일 수 있는 SiC에 대한 효과적인 소결 첨가제를 찾기 위한 많은 노력이 있다. 소결 첨가제는 SiC 표면에 있는 SiO2 층과 반응하고 SiC의 치밀화를 증가시킨다. 낮은 젖음각, 낮은 이면각, 액체 부피율과 같은 중요한 요소가 있음에도 불구하고 액상 소결에 대한 다른 중요한 요소가 있다.
현재 연구에서는, 전형적인 소결 온도에서 SiC와 소결 첨가제의 반응성은 연구 되어져 있다. 소결 첨가제는 Al2O3, Cr2O3, Fe2O3, MgO, Ta2O5, TiO2, V2O5, WO3, Y2O3, Sc2O3, La2O3, Nd2O3, Sm2O3, Gd2O3, Tb2O3, Dy2O3, Ho2O3, Er2O3, Tm2O3, Yb2O3 와 Lu2O3이었다. 반응성은 표준 깁스 프리 에너지를 고려하여 연구 되어졌다. O2가 존재하는 SiC의 모든 가능한 산화반응을 연구한 후, 소결 첨가제로써의 산화물과 SiC의 분해 반응은 결정 되어질 수 있다. 금속, 금속 탄화물과 금속 규소화물들의 형성 등의 세 가지 가능한 SiC 분해 반응이 있다. 깁스 프리 에너지를 계산한 결과를 바탕으로, Cr2O3, Fe2O3, Ta2O5, TiO2, V2O5, WO3는 SiC를 금속 탄화물 또는 금속 규소화물로 분해한다. 반면 Al2O3, MgO Y2O3와 희토류 산화물은 전형적인 소결 온도인 1700-1800°C 에서 안정하다. 그러므로 액상은 그것들은 SiC를 금속, 금속 탄화물과 금속 규소화물로 분해하지 않기 때문에 Al2O3, MgO, Y2O3와 희토류 산화물 첨가제로 형성되어지기를 기대되어졌다.
깁스 프리 에너지 계산을 확인하기 위해, 단일물 SiC의 제조는 행해졌다. 5wt% 소결 첨가제가 함유 된 단일물 SiC는 아르곤 분위기에서 20MPa의 압력을 가하여 1시간 동안 1750°C에서 소결 되어졌다. XRD 패턴은 깁스 프리 에너지 계산에서 예상 된 것과 같이 Cr2O3, Fe2O3, Ta2O5, TiO2, V2O5 와 WO3 첨가물과 소결 된 SiC는 금속 탄화물과 금속 규소화물의 형성을 보였다. 금속, 금속 탄화물과 금속 규소화물은 Al2O3, MgO, Y2O3와 희토류 산화물을 첨가하여 소결 된 SiC에서는 관찰 되지 않았다. SiC를 분해하는 첨가제를 사용하였을 때, 상대밀도는 55-59.6%로 첨가제를 사용하지 않고 소결한 SiC의 상대밀도 54%와 크게 다르지는 않았다. 소결 밀도는 SiC를 분해하지 않는 첨가제를 사용함으로써 73.3% 이상 이였으며 가장 높은 밀도는 Ho2O3를 첨가하였을 때 얻어졌다. 상대 밀도는 미세한 입도를 가지는 소결 첨가제를 첨가함으로써 증가하였다. 소결 된 SiC의 최고 밀도는 소결 첨가제로 Sc, Ho, Er, Yb 와 Tm을 질산염 형태로 추가함으로써 액상의 균일한 분포로 인해 얻어졌다. 2성분 산화물 계를 사용함에도 불구하고, 이 첨가제들의 효과는 각각의 첨가제의 효과에 달려있다. 치밀화의 메커니즘은 SEM과 EDS 분석을 통해 증명한 액상이였다. 액상은 SiC의 결정립 계에 위치하였다.
소결 시간의 효과는 SiCf/SiC 복합체 제조에 대해 연구되어졌다. 밀도는 더 긴 소결 시간으로 증가하였다. 그러나 취성 파괴 거동은 1시간 이상 소결하였을 때 관찰 되어졌다. 반면 1시간 이하로 소결을 하였을 때, 섬유와 기지 사이 약한 계면 때문에 tail extension을 보여주었다. PyC의 효과는 연구 되어졌다. 그 결과는 600nm이상의 PyC는 인성을 가졌으나 400nm이하의 PyC는 섬유와 기지의 강한 계면 때문에 취성 파괴를 보인다. 섬유 pull-out과 delamination은 PyC가 600nm 이상 가지는 SiCf/SiC 복합체에서 관찰 되어졌다.