SiC 세라믹 제조 공정

실리콘 카바이드 세라믹구조용 세라믹에 가장 널리 사용되는 재료 중 하나입니다. 상대적으로 낮은 열 팽창, 높은 비강도, 높은 열 전도성 및 경도, 내마모성 및 내식성, 그리고 가장 중요하게는 1650°C의 높은 온도에서도 우수한 성능을 유지하는 능력으로 인해 탄화 규소 세라믹은 다양한 분야에서 널리 사용됩니다.

탄화규소 세라믹의 일반적인 소결 방법에는 무압력 소결, 반응 소결 및 재결정 소결이 포함됩니다.

1. 반응소결 SiC(RBSiC)

반응소결은 탄소원과 탄화규소 분말을 혼합하여 성형체를 형성한 후, 액체 실리콘이 고온에서 성형체에 침투하여 탄소와 반응하여 β-SiC를 형성함으로써 치밀화를 달성하는 공정입니다. 수축률이 거의 0에 가까워 크고 복잡한 부품에 적합합니다. 또한 낮은 소결온도와 저렴한 가격을 자랑하지만 프리실리콘은 고온 성능을 저하시킬 수 있다.

반응소결 SiC는 고강도, 내식성, 내산화성 등 우수한 기계적 특성을 지닌 매우 매력적인 구조용 세라믹입니다. 또한, 낮은 소결 온도, 낮은 소결 비용, 거의 정형에 가까운 성형이 특징입니다.

반응소결 공정은 간단하다. 탄소원과 SiC 분말을 혼합하여 성형체를 제조한 후 고온 모세관력 하에서 용융된 실리콘을 다공성 성형체에 침투시키는 과정이 포함됩니다. 이 용융된 실리콘은 성형체 내부의 탄소원과 반응하여 β-SiC 상을 형성하며, 동시에 원래의 α-SiC와 단단히 결합됩니다. 나머지 기공은 용융된 실리콘으로 채워져 세라믹 재료의 치밀화를 달성합니다. 소결하는 동안 크기가 줄어들어 거의 그물 모양에 가까운 성형이 이루어지며 필요에 따라 복잡한 형상의 제작이 가능합니다. 따라서 다양한 세라믹 제품의 산업 생산에 널리 사용됩니다.

응용 분야에서는 고온 가마 가구 재료, 복사관, 열 교환기 및 탈황 노즐이 반응 소결 탄화규소 세라믹의 대표적인 응용 분야입니다. 더욱이, 탄화규소의 낮은 열팽창계수, 높은 탄성 계수, 거의 그물 형태의 형성 특성으로 인해 반응 소결 탄화규소는 우주 거울에 이상적인 재료이기도 합니다. 또한 웨이퍼 크기와 열처리 온도가 증가함에 따라 반응소결 탄화규소가 점차 석영유리를 대체하고 있습니다. 부분 실리콘 상을 포함하는 고순도 실리콘 카바이드(SiC) 부품은 고순도 실리콘 카바이드 분말과 고순도 실리콘을 사용하여 생산할 수 있습니다. 이러한 부품은 전자관 및 반도체 웨이퍼 제조 장비의 지지 장치에 널리 사용됩니다.

2. 무압소결 SiC(SSiC)

무압력 소결은 고상 소결과 액상 소결로 구분됩니다. 고상 소결은 B/C 첨가제를 첨가하여 고온에서 고상 확산 치밀화를 달성하여 고온 성능은 좋지만 입자가 조대화됩니다. 액상 소결은 Al2O3-Y2O3와 같은 첨가제를 사용하여 액상을 형성하고 온도를 낮추어 입자가 더 미세해지고 인성이 높아집니다. 이 기술은 가격이 저렴하고 다양한 형상이 가능하며 실링링, 베어링, 방탄복 등 정밀 구조 부품에 적합하다.

무압력 소결은 SiC의 가장 유망한 소결 방법으로 간주됩니다. 이 방법은 다양한 성형 공정에 적용 가능하고, 생산 비용이 저렴하며, 모양이나 크기에 제한이 없으며, 대량 생산을 위한 가장 일반적이고 쉬운 소결 방법입니다.

무압력소결은 미량의 산소를 함유한 β-SiC에 붕소와 탄소를 첨가한 후 불활성 분위기에서 2000℃ 부근에서 소결하여 이론밀도 98%의 탄화규소 소결체를 얻는 공정이다. 이 방법에는 일반적으로 고체 상태 소결과 액체 상태 소결의 두 가지 접근 방식이 있습니다. 무압력 고체 소결 탄화규소는 높은 밀도와 순도를 나타내며, 특히 특유의 높은 열전도율과 우수한 고온 강도를 갖고 있어 대형, 복잡한 형상의 세라믹 장치 가공이 용이합니다.

무압력 소결 탄화규소 제품: (a) 세라믹 씰; (b) 세라믹 베어링; (c) 방탄판

응용 측면에서 SiC의 무압력 소결은 조작이 간단하고 비용 효율성이 적당하며 다양한 형태의 세라믹 부품을 대량 생산하는 데 적합합니다. 내마모성 및 내식성 씰링 링, 슬라이딩 베어링 등에 널리 사용됩니다. 또한 무압 소결 탄화 규소 세라믹은 높은 경도, 낮은 비중, 우수한 탄도 성능, 파손 후 더 많은 에너지를 흡수하는 능력 및 저렴한 비용으로 인해 차량 및 선박 보호와 같은 방탄 장갑은 물론 민간 금고 및 장갑차에도 널리 사용됩니다. 방탄복 소재로서 다중 충격에 대한 저항력이 뛰어나며, 전체적인 보호 효과는 일반 탄화 규소 세라믹보다 우수합니다. 경량 원통형 세라믹 보호 장갑에 사용하면 파괴점이 65톤 이상에 달할 수 있어 일반 탄화 규소 세라믹을 사용한 원통형 세라믹 보호 장갑보다 훨씬 더 나은 보호 성능을 보여줍니다.

3. 재결정 소결 SiC 세라믹스(R-SiC)

재결정 소결에는 SiC 입자의 거칠고 미세한 등급화와 고온 처리가 포함됩니다. 미세한 입자는 거친 입자의 목 부분에서 증발하고 응축되어 입계 불순물이 없는 가교 구조를 형성합니다. 이 제품은 기공률이 10~20%로 열전도율과 열충격 저항성이 좋지만 강도가 낮습니다. 부피수축이 없으며 다공성 가마가구 등에 적합합니다.

재결정 소결 기술은 소결 보조제를 첨가할 필요가 없기 때문에 널리 주목을 받고 있습니다. 재결정 소결은 초고순도, 대규모 SiC 세라믹 소자를 제조하는 가장 일반적인 방법입니다. 재결정 소결 SiC 세라믹(R-SiC)의 제조 공정은 다음과 같습니다. 입자 크기가 다른 조대 및 미세 SiC 분말을 일정 비율로 혼합하고 슬립 캐스팅, 성형, 압출 등의 공정을 통해 그린 블랭크로 제조합니다. 그런 다음 그린 블랭크를 불활성 분위기 하에서 2200~2450℃의 고온에서 소성합니다. 마지막으로, 미세 입자는 점차 기상으로 증발하고 거친 입자와의 접촉점에서 응축되어 R-SiC 세라믹을 형성합니다.

R-SiC는 고온에서 형성되며 다이아몬드 다음으로 경도가 높습니다. 높은 고온 강도, 강한 내식성, 뛰어난 내산화성, 우수한 열충격 저항성 등 SiC의 우수한 특성을 대부분 유지합니다. 따라서 고온 가마 가구, 열 교환기 또는 연소 노즐에 이상적인 후보 재료입니다. 항공우주 및 군사 분야에서 재결정화된 탄화규소는 엔진, 꼬리날개, 동체 등 항공우주 차량의 구조 부품을 제조하는 데 사용됩니다. 우수한 기계적 특성, 내식성, 내충격성으로 인해 항공우주 차량의 성능과 서비스 수명을 크게 향상시킬 수 있습니다.

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