고분자 세라믹 전구체를 이용한 탄화규소(SiC)의 소결향상 연구 = Enhanced sintering of SiC using preceramic polymer

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The effect of preceramic polymer on the formation and sintering of SiC ceramics was investigated. Polysilazane and Polycarbosilane were chosen as a SiC precursor. First experiment, SiC powder mixed with preceramic polymer was molded into a green bodies by cold pressing. Second experiment, the SiC specimens partially sintered were infiltrated with preceramic polymer using vacuum infiltration and ultrasonic stiring. The specimens with preceramic polymer were cured at 200～250℃. And then the specimens were sintered at 2000～2100℃ in flowing Ar atmosphere. The preceramic polymer was converted to SiC during heating. The densification behavior and microstructure were analyzed. The bending strength and vickers hardness were measured and discussed.

국문 초록 (Abstract)

탄화규소의 상압소결향상을 위해 실리콘(Silicon, Si)기반의 고분자 세라믹 전구체를 사용하여 고밀도의 상압소결용 성형체를 제조하고 그 성형체를 소결함으로써 치밀한 소결체를 제조하고자 하였다. 본 연구에서는 현재 상압소결 용도로 상용되고 있는 탄화규소 분말(FCP 15RTP, 미국 Saint-Gobain)과 고분자 세라믹 전구체로써 Polysilazane(Polysilazane20, 미국 KiON), Polycarbosilane(Polycarbosilane NIPUSI Type A, 일본 Nippon carbon)을 사용하였다. 1차 실험에서는 탄화규소 분말과 Polysilazane, 탄화규소 분말과 Polycarbosilane을 부피 비 6:4로 혼합하여 제조된 성형체를 경화(Curing) 및 소결하는 공정, 2차 실험에서는 열처리를 통해 입자간 결합을 형성시켜 강화되고 산화물이 제거된 성형체에 각각 Polysilazane 또는 톨루엔(Toluene)에 용해된 Polycarbosilane을 함침시키고 경화(Curing) 및 소결하는 공정을 실시하였다. 그리고 소결성 및 소결체물성향상의 정도를 알아보기 위해 상압소결용 탄화규소 분말로 제조된 소결시편과 고분자가 첨가 또는 함침되어 소결된 시편의 소결밀도, 강도, 경도, 미세구조 등을 비교 및 분석하였다.
1, 2차 실험결과, 고분자 세라믹 전구체를 첨가 또는 함침시킴으로써, 상용 탄화규소 분말로 제조된 성형체에 비해 고밀도를 갖는 탄화규소 성형체를 제조할 수 있었다. 또한 2차 함침실험 결과에서는 2000℃ 소결온도에서의 탄화규소 소결체 밀도증가 및 그에 따른 기존 탄화규소 소결온도의 감소효과, 경도와 강도 값이 다소 증가하는 효과를 얻을 수 있었으며 소결 시 수축률의 감소효과 또한 얻을 수 있었다. 반면, 1차 실험에서는 고분자 열분해과정에서 고분자의 전량이 소실되는 문제점이 발생하였으며 탄화규소 소결체는 낮은 밀도 값을 가졌다. 이는 고분자가 열분해 과정에서 전량 소실됨에 따라 소결성과 밀도향상에 좋은 영향을 미치지 못하고, 오히려 큰 부피수축과 질량감소로 인한 악영향만을 초래한 것으로 사료된다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 제2장 문헌연구 3
• 2.1. 탄화규소의 특성 3
• 2.2. 탄화규소의 제조 6
• 2.3. 탄화규소의 소결체 제조 8
• (1) 가압 소결법 8
• (2) 상압 소결법 9
• (3) 반응 소결법 9
• (4) 재결정법 10
• 2.4. Organosilicon Polymer 11
• 2.5. Organosilicon Polymer의 세라믹 변환 기본 원리 16
• 제3장 실험방법 32
• 3.1. 탄화규소, 고분자 세라믹 전구체 혼합분말 소결실험 33
• 3.1.1 분말제조 33
• (1) 탄화규소 분말 33
• (2) 고분자 세라믹 전구체의 특성 34
• (3) 탄화규소 분말과 고분자 세라믹 전구체의 혼합분말 제조 35
• 3.1.2 성형체 제조 및 경화 36
• (1) 성형체 제조 36
• (2) 경화 36
• 3.1.3 열분해 반응 및 소결 37
• (1) 열분해 반응 37
• (2) 소결 37
• 3.2. 고분자 세라믹 전구체 함침실험 40
• 3.2.1 성형체 제조 및 부분소결 40
• (1) 성형체 제조 40
• (2) 부분소결 40
• 3.2.2 함침 및 경화 41
• (1) 고분자 세라믹 전구체 함침 41
• (2) 경화 41
• 3.2.3 열분해 반응 및 소결 42
• (1) 열분해 반응 42
• (2) 소결 42
• 3.3. 물성 및 상분석 43
• 3.3.1 중량손실, 수축률, 밀도, 열린기공량 측정 43
• 3.3.2 XRD분석 44
• 3.3.3 미세조직 분석 44
• (1) SEM 분석 44
• (2) TEM 분석 45
• 3.3.4 4점 굽힘강도 측정 45
• 3.3.5 경도 및 파괴인성 측정 46
• 3.3.6 TGA 측정 47
• 제4장 실험결과 및 고찰 48
• 4.1. 탄화규소, 고분자 세라믹 전구체 혼합분말 소결연구 48
• 4.1.1 TGA 측정결과 48
• 4.1.2 고분자로부터 형성된 탄화규소의 XRD 분석결과 49
• 4.1.3 탄화규소와 고분자의 비율에 따른 성형체의 밀도 51
• 4.1.4 2000℃ 소결결과 52
• 4.1.5 EDS 분석결과 53
• 4.2. 고분자 전구체 함침 및 소결연구 54
• 4.2.1 성형체의 열처리를 통한 성형체의 강도향상 및 산화물 제거 54
• 4.2.3 고분자 함침 및 함침조직 관찰 57
• 4.2.4 고분자로부터 형성된 탄화규소의 정량분석 59
• 4.2.5 소결밀도 결과 62
• 4.2.6 소결 시 수축률의 변화 63
• 4.2.7 XRD 분석결과 64
• 4.2.8 소결시편의 미세구조 관찰결과 67
• (1) SEM 관찰결과 67
• (2) TEM 관찰결과 70
• 4.2.9 비커스 경도 측정결과 72
• 4.2.10 4점 굽힘강도 측정결과 73
• 제5장 결 론 74
• 제6장 참고문헌 76
• Abstract 83