재료공학실험 | 세라믹스의 소결(고상소결)

 

 

 

서론

세라믹스의 제조 공정은 주로 원료 분말의 준비, 원하는 형태로의 성형, 그리고 고온 가열에 의한 소결로 나눌 수가 있다. 그림1은 이러한 세라믹스 공정을 에너지 상태의 변화로 나타낸 것인데, 소결과정은 세라믹스 재료의 전 제조공정에서 가장 중요한 부분을 차지하는 과정이다. 따라서 소결현상의 명확한 이해는 세라믹스 공정의 효율화와 그 특성의 적절한 제어에 확고한 기반이 되는 것이다.

 

그림 1 Energy change during ceramic process

 

즉, 비교적 안정하고 낮은 에너지를 가지는 원료를 미분쇄하게 되면, 표면적 증가에 따르는 표면 에너지의 증가로 분말은 형태만 이룰 뿐, 그 에너지의 변화는 별로 없어서 여전히 높은 에너지 상태로 있게 된다. 따라서 이 성형체는 가능하면 그 표면적을 줄여서 낮은 에너지 상태가 되고자 한다. 이것은 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흘러서 그 위치 에너지를 낮추려는 것과 같은 것이다. 따라서 이성형체를 고온으로 가열하면 미분말 입자들은 서로 붙어서 소결을 하게 되고, 낮은 에너지 상태의 제품이 되는 것이다. 즉, 소결이란 그림2에서 보는 것처럼 분말 성형체가 가열에 의해 조립화(coarsening) 또는 치밀화(densification)를 이루는 과정을 말한다.

 

이 중 조립화라는 것은 많은 기공을 포함하고 강도가 거의 없는 분말 성형체가 가열에 의해 밀도의 변화는 없이 입자끼리의 결합에 의해 표면적 감소와 높아진 강도를 나타낸 것이다. 이의 좋은 예는 세라믹스 단열재나 세라믹스 촉매 담체의 소결이다. 그리고 치밀화라는 것은 많은 기공을 포함하고 강도가 거의 없는 분말 성형체가 가열에 의해 밀도의 증가(기공의 감소)와 함께 입자끼리의 결합에 의한 표면적 감소와 높아진 강도를 나타내는 것이다. 대부분의 고강도 세라믹스 제품의 소결은 여기에 해당된다. 그러나 실체에서는 그림2의 알루미나 소결의 예에서 보는 것처럼 조립화와 치밀화가 같이 일어나게 된다.

 

그림 2 Surface area reduction of alumina by coarsening and densification during sintering between 1000 and 1600℃

 

소결방법에는 크게 기상소결, 고상소결, 액상소결로 나누어 생각할 수 있는데, 본서에서는 소결방법 중 고상소결에 대한 전반적인 면들과 다양한 분말의 고상소결에 관한 응용 예들에 대하여 고찰하고자 한다.

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실험 방법

1. 실험 과정

1) 다결정 Pr-ZnO 바리스타를 제조하기 위해 ZnO에 Co3O4를 5.0 at%, Pr6O11을 0.7 at%, CaCO3을 0.6at% 첨가한 후 SiO₂를 0.1～0.4 at% 까지 0.1 at% 간격으로 첨가하였다.

 

2) Aldrich사의 A.C.S급 시약을 정해진 조성에 따라 칭량한 후 플라스틱 병에 메탄올과 지르코니아 볼을 사용하여 24시간 혼합하였다.

 

3) 혼합된 분말은 회전식 감압 증류기를 이용하여 건조하여 건조 과정 중에 발생할 수 있는 분말의 분리현상을 방지하였다.

 

4) 건조된 분말은 1000℃에서 2시간 동안 하소한 후, 막자사발을 이용하여 분쇄하고 분쇄된 분말을 다시 24시간 혼합하였다.

 

5) 혼합된 분말은 325 mesh 크기의 체로 거른 뒤, 다시 회전식 감압 증류기를 사용하여 건조시켰다.

 

6) 건조된 분말에 바인더로 10 wt%의 P.V.A를 첨가하고 일축 가압 성형기를 이용하여 지름이 15㎜, 두께가 2㎜인 디스크 형태의 시편을 만들었다.

 

7) 준비된 시편들 액상생성(≈1240℃) 전호의 온도로 판단되는 1180℃, 1200℃, 1250℃에서 각각 소성하였다.

 

8) 바인더의 제거를 위해 650℃까지 승온 속도를 3℃/min으로 하고, 1시간 동안 유지시켰으며, 소결 온도에 이를 때까지 승온 속도를 5℃/min으로 하여 1시간 유지시킨 후 로랭 하였다.

 

9) 소결된 각각의 시편에 대하여 수축률을 조사하였고, Archimedes 방법을 사용하여 밀도를 측정하였다.

 

10) 결정상은 XRD 분석으로 확인하였다.

 

11) 시편의 미세구조를 관찰하기 위해 연마한 시편의 파단면을 1030～1050℃에서 30분 동안 열 에칭 한 다음 광학 현미경과 주사현미경을 이용하여 관찰하였고 결정립과 계면의 이차상에 대한 EDS 분석을 행하였다.

 

12) 평균 입자 크기는 linear intercept법을 이용하여 구하였다.

 

 

 

[재료공학실험]세라믹스의 소결(고상소결) 레포트