탄화규소는 고온에 강하고 강산이나 강알칼리와 반응하지 않으며, 전기 및 열전도성이 우수하고 방사선 저항성이 뛰어납니다. 탄화규소는 우수한 물리적·화학적 특성으로 인해 석유, 화학, 마이크로일렉트로닉스, 자동차, 항공우주, 레이저, 원자력, 기계 및 야금 산업에서 널리 사용됩니다. 예를 들면 연삭 휠, 노즐, 베어링, 씰, 가스터빈 회전 및 고정 블레이드, 반사 스크린 기판, 엔진 부품, 내화 재료 등이 있습니다.
탄화규소 제품의 소결 방법 및 특징적 응용


전차 및 장갑차용 복합 장갑판은 탄화규소 복합 재료로 제작됩니다. 이 복합 장갑판은 일반 전차 강판보다 30%-50% 가볍고, 충격 저항성은 1-3배 향상될 수 있습니다. 이는 우수한 복합 재료입니다. 전기, 자기, 음향, 광학, 열, 화학, 기계, 생물학 등 특수 기능을 갖춘 첨단 세라믹은 지난 20년 동안 빠르게 발전한 신소재로, 금속 재료와 고분자 재료에 이어 세 번째 주요 재료로 불립니다.

탄화규소 제품의 소결 방법 및 특징적 응용


SiC는 강한 공유 결합을 가진 화합물이며, 소결 중 확산 속도가 매우 낮습니다. J. D. Hon 등의 연구 결과에 따르면 2100℃의 고온에서도 C와 Si의 자기확산 계수는 매우 작습니다. 따라서 SiC는 소결이 어렵고, 첨가제나 외부 압력 또는 규화 반응의 도움을 받아 치밀화해야 합니다.

고밀도 SiC 세라믹을 제조하는 주요 방법으로는 가압 소결, 무가압 소결 및 반응 소결이 있습니다.
(1) 순수 탄화규소 분말의 가압 소결은 이론 밀도에 근접할 수 있지만, 고온(2000℃ 초과)과 고압(350MPa)이 필요합니다. 첨가제를 사용하면 치밀화 속도를 크게 촉진하고 이론 밀도에 가까운 밀도의 탄화규소 재료를 얻을 수 있습니다. 일반적으로 사용되는 첨가제: Al2O3, AIN, BN, B 등. B의 최대 첨가량은 0.36%입니다. 메커니즘: 유리 탄소가 B와 반응하여 B4C를 형성한 후 SiC와 고용체를 형성합니다. 액상 소결 과정은 재료 이동에 중요한 역할을 합니다.

(2) 무가압 소결(상압 소결) 소결 메커니즘: 확산 소결. 확산 소결의 어려움은 입계 에너지와 표면 에너지의 비율과 관련이 있습니다. 소결 촉진 시 순수 SiC는 소결되지 않습니다. 붕소를 첨가하면 붕소가 SiC 입계에 존재하고 SiC와 부분적으로 고용체를 형성하여 SiC의 입계 에너지를 낮춥니다. 또한 C를 첨가하면 SiC 표면의 SiO2 막을 환원하고 제거하는 데 도움이 되어 표면 에너지를 높입니다. 이에 따라 rg/rs 초미세 분말은 치밀화에 필요한 기계적 구동력을 제공하고 확산 거리를 단축하여 초기 소결 단계로 진입할 수 있습니다.

(3) 반응 소결 반응 소결 SiC는 자기결합 SiC라고도 하며, a-SiC 분말과 흑연 분말을 일정 비율로 혼합하여 성형체로 압축한 다음 약 1650℃까지 가열하는 방식으로 제조됩니다. 동시에 Si를 침투시키거나 기상 Si를 통해 성형체 내부로 Si를 침투시키면, Si가 흑연과 반응하여 β-SiC를 형성하고 기존의 a-SiC 입자를 결합합니다. 특징: Si가 완전히 침투하도록 하면 전체 공정 중 기공률이 0이고 기하학적 치수 변화가 없는 재료를 얻을 수 있습니다. 실제 생산에서는 성형체에 과도한 기공이 있어야 합니다. 이는 Si 침투 공정이 먼저 표면에서 진행되어 기밀한 SiC 층이 형성되는 것을 방지하고, 그로 인해 반응 소결이 계속 진행되지 못하는 상황을 막기 위해서입니다. 반응 소결 과정에서 과도한 기공은 잉여 Si로 채워져 무공극 치밀 제품이 얻어집니다.

일반적인 세 가지 소결 방법 비교:

1. 가압 소결: 단순한 형상의 탄화규소 부품만 제조할 수 있으며, 생산 효율이 낮아 대규모 상업 생산에 적합하지 않습니다.

2. 무가압 소결(상압 소결): 복잡한 형상과 대형 탄화규소 부품을 생산할 수 있으며, 현재 가장 널리 인정받는 소결 방법입니다.

3. 반응 소결: 복잡한 형상의 탄화규소 부품을 생산할 수 있고 소결 온도가 낮지만, 제품의 고온 성능이 떨어집니다.

무가압 소결, 가압 소결, 열간 등방압 소결 및 반응 소결을 사용한 SiC 세라믹은 서로 다른 성능 특성을 보입니다. 예를 들어 소결 밀도와 굽힘 강도 측면에서 가압 소결 및 열간 등방압 소결 SiC 세라믹은 상대적으로 높은 반면, 반응 소결 SiC는 상대적으로 낮습니다. 한편 SiC 세라믹의 기계적 특성도 소결 첨가제에 따라 달라집니다.

무가압 소결, 가압 소결 및 반응 소결 SiC 세라믹은 강산과 강알칼리에 대한 내성이 우수하지만, 반응 소결 SiC 세라믹은 HF와 같은 초강산에 대한 내식성이 낮습니다. 내고온성 측면에서는 온도가 900℃ 미만일 때 거의 모든 SiC 세라믹의 강도가 향상됩니다. 온도가 1400℃를 초과하면 반응 소결 SiC 세라믹의 굽힘 강도가 급격히 감소합니다. (이는 소결체에 일정량의 유리 Si가 포함되어 있어 특정 온도를 초과하면 굽힘 강도가 급격히 감소하기 때문입니다.) 무가압 소결 및 열간 등방압 소결 SiC 세라믹의 내고온성은 주로 첨가제의 종류에 영향을 받습니다.

 

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