최근 구조 세라믹스의 중요성이 더욱 대두되면서 금속재료보다 높은 내열성, 내마모성, 낮은 비중, 현저히 높은 사용온도 등의 특성을 지닌 질화규소를 열엔진 기관에 적용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
Si3N4는 비산화물계 세라믹스의 대표적인 재료로서 he ...

최근 구조 세라믹스의 중요성이 더욱 대두되면서 금속재료보다 높은 내열성, 내마모성, 낮은 비중, 현저히 높은 사용온도 등의 특성을 지닌 질화규소를 열엔진 기관에 적용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
Si3N4는 비산화물계 세라믹스의 대표적인 재료로서 heat engine등을 포함한 고온 구조물의 내열재료로써 활발히 응용이 추진되었다. 질화규소는 강한 공유결합으로 인하여 자기확산이 어렵고 고온에서의 열분해 때문에 소결온도가 제한되는 난소결성 재료이기 때문에 일반적으로 가압(Hot press)또는 가스압소결(G.P.S)을 이용하여 2000oC부근에서 소결되어 치밀화가 이루어지고 있다. 이에 반하여 반응소결법은 Si 성형체를 1200～1400 oC에서 질소가스와 반응시켜 Si3N4 소결체를 얻는 방법으로 성형체와 소결체간의 치수 변화가 거의 없어 near-net-shape의 소결체를 얻을 수 있다는 장점과 제조온도가 낮다는 장점을 지니고 있다.
본 연구에서는 반응소결 질화규소의 제작시 질화율에 큰 영향을 미치는 온도 및 질소압 조건에 대한 정밀성을 부여하기 위하여 반응소결용 로에 computer 제어 장치를 연결함으로써 온도와 질소압을 보다 미세하게 조절하였고, 특히 이러한 장치를 이용하여 󰡒dynamic flowing state󰡓 대신 일정 질소압을 유지시키는 󰡒static state󰡓 조건으로 질화반응을 일으킴으로써 질소가스의 소모량을 줄임과 동시에 질화반응에 미치는 질소 가스압의 영향, 및 소결체의 치밀화 거동과 기계적 물성을 비교 조사하는 것이 연구 목적이었다. 또한 기존의 국내외에서 연구자들에 의한 개발된 특정 제품제조기술 위주에서 벗어난 다기능 질화규소의 개발에 주안점을 두며 또한 통상적으로 질화규소의 소결에 사용되는 이트리아및 알루미나 등에 비교하여 천연재인 코디어라이트(Cordierite: 2MgO-2 Al2O3-5SiO2)를 소결조제로 시도하였다. 이는 가격이 종전의 소결조제에 비해 약 10분의 1 정도로서 경제성이 있으며 비교적 낮은온도에서 액상을 만들어 소결반응시 알파상에서 베타상으로의 상변태를 촉진시켜 침상의 베타상을 쉽게 얻음으로서 기계적 특성을 향상을 기대할수 있으며 본 연구의 결과 다음과 같은결론을 얻었다..
1)90% 이상의 질화율 을 전 시편에 걸쳐 얻었으며, 소결조제의 양이 증가할수록 지질화율은 다소 감소 하였다. 알파상과 베타상의 질화규소가 모두 관찰 되었고 코디어라이트의 양이 증가 할수록 더 많은 양의 베타상이 존재하였다. 이는 코디어라이트의 양의 증가에 따라 더 많은 양의 액상이 존재하게 되어 변태를 촉진하기 때문이다.
2)상대 밀도는 1750C와 1800 C에서 3시간 후 소결한 결과, 온도가 높을수록, 소결조제의 양이 많을수록 높은 수치를 나타내는 전형적인 경향을 보였다.아울러 비커스인덴테이션 법을 이용하여 파괴인성치를 계산 하였다( 3.59±0.28 MPa m1/2 ).
3)1800 C에서 3시간 소결한후의 전자현미경 사진 관찰 결과 수소가스를 질소에 첨가 시킨 효과로 미세하고도 균일한 미세구조를 얻었다.

-Silicon nitride is readily becoming an important high temperature material in modern industry. Silicon nitride is shown to have high strength, excellent thermal shock resistance, chemical stability , and excellent creep resistance. However, the drawb ...

-Silicon nitride is readily becoming an important high temperature material in modern industry. Silicon nitride is shown to have high strength, excellent thermal shock resistance, chemical stability , and excellent creep resistance. However, the drawback with the use of silicon nitride is its high cost. This comes from the extensive processing needed to synthesize the unnaturally forming materials. Recently, the potential of using reaction-bonded silicon nitride ceramics has been re-evaluated due to their low cost of fabrication. In order to improve the mechanical properties of RBSN ceramics, a technique of post sintering after nitridation(SRBSN)has been developed and the SRBSN ceramics after post sintering are now improved to those of sintered Si3N4. There are two methods to produce RBSN depending on the supply of nitrogen gas. One is a flow (dynamic) system, which is normally used in laboratory since entry and exit gas can be easily analyzed. The other is a static system, which is often used in commercial producers of RBSN. In the present study, we employed a computer-controlled graphite furnace that provides precise control of the reaction temperature and pressure. We also would like to use cordierite(2MgO-2Al2O3-5SiO2)as a new candidates for sintering aids, which is non-artificial and very cheap material. This system also forms glass - ceramic materials having high electrical resistivity and high mechanical strength.

-Reaction bonded silicon nitride(RBSN) has been fabricated from Si powder with cordierite as a sintering aids. More than 90% nitridation rate was obtained in each specimen. As the amount of cordierite increases, the nitridation rates decreases. Both α- and β Si3N4 are formed during the nitridation of silicon to Si3N4. There were more beta crystals in the specimen with higher cordierite content since the amount of liquid phases needed for transformation of Si to beta silicon nitride were large enough. The Si2N2O peak was also observed because SiO(g) formed in the early stage of nitridation reacted with N2 gas to produce Si2N2O. It was believed that Si2N2O grows from a liquid phase. The relative densities increases when the amount of cordierite increases. Also higher sintering temperature ensures higher density.Fracture toughness of 3.59 ±0.28 MPa m1/2 was obtained for the specimen containing 18 wt% cordierite sintered at 1800℃ for 3 hours.

최근 구조 세라믹스의 중요성이 더욱 대두되면서 금속재료보다 높은 내열성, 내마모성, 낮은 비중, 현저히 높은 사용온도 등의 특성을 지닌 질화규소를 열엔진 기관에 적용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 기존의 국내외에서 연구자들에 의한 개발된 특정 제품제 ...

최근 구조 세라믹스의 중요성이 더욱 대두되면서 금속재료보다 높은 내열성, 내마모성, 낮은 비중, 현저히 높은 사용온도 등의 특성을 지닌 질화규소를 열엔진 기관에 적용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 기존의 국내외에서 연구자들에 의한 개발된 특정 제품제조기술 위주에서 벗어난 다기능 질화규소의 개발에 주안점을 두며 또한 통상적으로 질화규소의 소결에 사용되는 이트리아및 알루미나 등에 비교하여 천연재인 코디어라이트(Cordierite: 2MgO-2 Al2O3-5SiO2)를 소결조제로 시도하였다. 이는 가격이 종전의 소결조제에 비해 약 10분의 1 정도로서 경제성이 있으며 비교적 낮은온도에서 액상을 만들어 소결반응시 알파상에서 베타상으로의 상변태를 촉진시켜 침상의 베타상을 쉽게 얻음으로서 기계적 특성을 향상을 기대할수 있었다.

코디어라이트를 소결조제로 사용한 질화규소의 상압소결에 관한 본 연구의 결과는 다음과 같이 요약된다.

1.연구결과

-코디어라이트의 첨가량에 따른 질화율의 변화는 90-95%의 범위였으며 이는 통상적인 이트리아/알루미나 소결조제를 사용한 경우보다 다소 낮은 ...

코디어라이트를 소결조제로 사용한 질화규소의 상압소결에 관한 본 연구의 결과는 다음과 같이 요약된다.

1.연구결과

-코디어라이트의 첨가량에 따른 질화율의 변화는 90-95%의 범위였으며 이는 통상적인 이트리아/알루미나 소결조제를 사용한 경우보다 다소 낮은데 이는 본 연구의 경우 사용된 MgO의 존재가 그 원인으로 통상적으로 MgO가 존재하면 유리의 점성이 낮아지고 물질의 확산 속도가 증가 하게 된다. 따라서 치밀화가 변환의 속도 보다 더 빠른 경향이 생기게 된다. 이트리아가 첨가된 경우는 위와 상반된 결과를 가지기 때문이다.

-질화과정후의 X 선 분석 결과인데 존재하는 알파 와 베타의 상대적인 양을 구하였으며 코디어라이트의 양이 증가 할수록 더 많은 양의 베타상이 존재하였다. 이는 코디어라이트의 양의 증가에 따라 더 많은 양의 액상이 존재하게 되어 변태를 촉진하게 되며 아울러 질화과정동안 형성되는 질화규소의 총량도 더 작으므로 변태에 유리한 것으로 판단된다. 또한 실리콘 옥시나이트라이드도 함께 형성됨이 확인 되었는데 질화반응초기에 형성된 SiO 가스가 질소와 반응하여 알파상의 질화규소 또는 Si2N2O를 만드는 것으로 알려져 있으며, 이 상은 포화된 용해질소로부터 성장하는 것으로 알려져 있다.

-상대 밀도는 1750C와 1800 C에서 3시간 후 소결한 결과 온도가 높을수록, 소결조제의 양이 많을수록 높은 수치를 나타내는 전형적인 경향을 보였다.1800℃에서 3시간 소결한후의 전자현미경 사진으로 수소가스를 질소에 첨가 시킨 효과로 미세하고도 균일한 질화규소의 네트워크형성에 도움을 준 것으로 사료된다. 즉 SiO의 존재자체가 미세기공의 형성에 도움을 준다고 보고된바 있다.

-비커스 인덴테이션 법을 이용하여 파괴인성치를 계산 하였고 그값은 3.59±0.28 MPa m1/2 인데 이는 통상적인 값보다 다소 낮은데 이는 코디어라이트의 존재와 직접관련되어 있으며 대체적으로 소결조제는 10wt%를 넘지 않아야 한다고 알려져 있으며 18Wt%를 첨가하여 1800 C에서 3시간 소결한 본 실험에서 예상 되는 값이라 볼 수있다.

2. 활용방안

가) 학문적/사회적 기여도

비교적 큰 시편의 질화처리가 가능한 Graphite Furnace와 정밀한 Gas Flowing System으로 연구될 본 실험결과가 정확한 질화반응 기구 규명에 접근할 수 있고 Large Scale 의 RBSN 의 제조로 상용화에 접근할 수 있으리라 기대된다. 또한 질화규소 개발에 있어 가장 중요한 점 중의 하나가 경제성으로 1800℃이하의 온도에서 충분히 치밀화된 질화규소를 얻을 수 있다면, 상압소결에 의해 물성이 우수한 질화규소를 제작 할 수 있게 되고 연속로 등을 통한 대량생산의 길도 열리게 되어 가격경쟁력을 향상시킬 수 있다.

나) 인력양성 방안 및 교육과의 연계

본 연구결과에서 얻은 computer controling system을 이용하면, process control이 용이함에 따라 질화반응 기구에 대한 좀 더 정확한 규명에 접근할 수 있었고,, 본 연구자의 금속 및 여러 세라믹 재료의 특성에 대한 그 동안의 연구경험과 Georgia Institute of Technology 의 1년 동안의 공동연구의 결과 목표로 하는 다기능성 질화규소 세라믹스의 개발에 더욱 근접할 수 있다고 믿는다. 저가분말을 이용한 연구는 일본, 미국등 다른 선진국에서 이미 시도 된바 있으나, 사용된 분체의 가격이 수십 US dollars/ kg으로 충분히 저렴하지 않았고 연구방법도 불순물만 일부 제거한 상태로 고가분체를 사용하는 경우와 같은 공정으로 특성이 충분히 우수하지 못한 결과를 초래 하였다. 국외의 공동연구자는 규소의 표면 반응분야의 세계적인 권위자로서 연구기간 중 특히 Nitridation Kinetics분야에 대하여 체계적이며 심도 높은 교류를 통해 이들 기구의 명확한 규명에 큰 도움을 얻었으며 이를 기초로 하여 타 연구소와 공동프로젝트 수행, 관련 국책사업 등에 대학원생을 참여 시키는 등 인력양성에도 힘써, 궁극적으로 차세대의 첨단소재개발 등에 활용하고자 한다.