Spark Plasma Sintering of Additive-free SiC Prepared by Polycarbosilane Precursor

국문 초록 (Abstract)

높은 융점, 우수한 고온 물성, 낮은 원자번호 등의 장점 때문에 탄화규소 (SiC)는 내 마모 및 고온용 구조재료 또는 핵발전소의 핵연료 코팅재 등 다양한 분야에 적용되기 좋은 재료이다. 탄화규소는 대표적인 난소결성 재료 중 하나로, 이 문제를 해결하기 위하여, 지금까지 여러 가지 형태의 원료나 소결방법이 사용되어 왔다. 본 연구에서는 비정질 전구체 (amorphous PCS precursor)와 통전가압소결법 (SPS)을 적용시켰다. 비정질 전구체를 이용하는 경우, 비정질 상태에서 원자재배열이 쉽다는 점을 장점으로 적용할 수 있고, 통전가압소결법을 사용하면 소결 시 1축 가압이 이루어지면서 동시에 방전 플라즈마 현상에 의하여 소결력을 높인 방법으로 난소결성 재료에 매우 적합한 방법이다. 우선 비정질 폴리머 전구체를 1000℃에서 열분해시켜 비정질 PCS 원료분말을 제조하였다. 통전가압소결법은 비정질 PCS 분말을 이용하여, 1700, 1800 그리고 1900℃의 소결 온도, 40 MPa와 80 MPa의 압력, 10분 유지시간, 그라고 소결분위기는 아르곤 가스 1 atm에서 진행되었다.
통전가압소결체를 분석한 결과, 소결 온도와 압력이 결정립 성장과 치밀화, 그리고 최종 상의 종류와 양에 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 온도가 증가함에 따라 결정립 크기가 커지고 압력이 증가함에 따라 결정립 크기가 작아지는 경향을
나타내었다. 80 MPa 결과들 중, 1800℃와 1900℃의 소결 온도에서 ‘Core/Rim 구조’가 나타났다. Rim 부분은 탄화규소만 검출되었으며, 큰 기공들이 많이 존재하였다 (~10% 기공률). 반면에, Core 부분에서는 탄화규소, 흑연 그리고 비정질 SiO2
가 검출되었으며, 비교적 치밀한 구조를 가졌다 (2~3% 기공률). 또 하나 특이한 점은 2000℃에서 나타나는 SiC 상변화가 1800℃부터 진행되는 것을 확인하였다. 이는 소결시 가해지는 압력에 의하여 나타난 현상으로 분석되었다. 시편 core 부
분에 비정질 유리의 생성은 의도치 않은 산소의 유입으로 생성된 것으로 생각되고, 시편의 물성에 악영향을 미칠 것으로 예상된다.
특히 1900℃의 소결 온도와 80 MPa의 압력에서 소결된 시편은 지금까지 보고된 첨가제 없이 소결체 중 가장 우수한 95%에 가까운 상대밀도를 얻었으나 시편의 core 부분과 rim 부분의 기공률, 입자의 크기 등이 현저히 다른 결과를 얻었다. 특히 가장자리 부분은 약 10%의 기공률을 갖는 다공성 구조를 나타냈다.
이 연구에서, 비정질 PCS를 원료로 SiC 시편의 치밀화에는 압력이 온도보다 더 큰 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 추후 추가실험에서, 시편의 물성분석과 파괴거동을 분석할 것이고, 실험과정을 점검하여 비정질 SiO2상 생성의 원인이 되는 산소의 유입을 줄여나갈 계획이다.