KR0182413B1 - 일방향으로 배열된 질화규소 휘스커를 함유하는 박층으로 이루어진 자기강화형 질화규소 세라믹스 복합체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 질화규소 휘스커를 강화재로 사용한 질화규소 세라믹스 복합체를 제조함에 있어서, 강화제인 질화규소 휘스커를 일방향으로 배열시킨 박층(sheet)형태의 복합체 또는 이들 박층(sheet)들을 적충함으로써 얻어지는 질화규소 휘스커 강화 질화 규소 복합체에 관한 것으로서, 함유된 질화규소 휘스커의 양을 0.5 중량% - 5 중량%로 하여, 본 발명에서 고안된 장치를 채용한 tape casting 공정을 통하여 일방향으로 배열된 휘스커를 함유하는 박층(sheet)형의 성형체를 제작하고, 이 성형체를 그대로, 또는 이들을 다양한 적층방법에 따라 적층 성형체를 제작한 후, 소정의 유기물 제거 열처리 공정에 따라 함유되었던 유기물들을 제거하고, 180℃-2050℃에서의 고온소결 열처리에의해 얻어지게 되는 일방향으로 배열된 질화규소 휘스커를 함유하는 박층(sheet)형, 또는 이러한 박층(sheet)들을 다수 적층하여 얻게되는 자기 강화형 질화규소 세라믹스 복합체와 그 제조방법에 관한 것으로서, 이렇게 제조된 질화규소 복합체는 특정방향으로 매우 탁월한 기계적 몰성(예 : 휘스커의 배열과 수직한 방향으로의 파괴인성)을 나타내는데, 여기서 자기강화형이라 함은 보강재로 첨가된 질화규소 휘스커가 고온소결 열처리 동안에 결정립 성장을 일으키어 스스로 그 보강효과를 더욱 극대화 하게 되는 현상을 말한다.

Description

일방향으로 배열된 질화규소 휘스커를 함유하는 박층(sheet)으로 이루어진 자기강화형 질화규소 세라믹스 복합체.
본 발명은 일방향으로 배열된 질화규소 휘스커를 함유하는 박층으로 이루어진 자기강화형 질화규소 세라믹스 복합체의 제조방법에 관한 것이다.
질화규소 세라믹스는 여러 가지 세라믹스 소재중에서도 기계적 강도, 파괴인성, 경도, 고온강도등이 고루 우수한 소재로써 그동안 많은 연구와 실용화를 위한 노력의 대상이 되어 왔다.
특히, 최근에는 질화규소가 본질적으로는 열전도성이 높다는 사실이 알려지면서 기존의 전자부품용 서브스트레이트(Substrate)를 질화규소로 대체할 수 있을 것이라는 전망도 나오고 있다.
그러나 구조재료로서의 질화규소는 아직도 취약하며, 파괴인성의 향상이 요구되고 있다.
또, 질화규소 소결체의 내부 미세구조를 잘 제어하여 질화규소 특유의 조대한 주상 결정립들의 3차원적 배열상의 무질서성을 제거하고 이들을 보다 규칙적으로 배열하여야만 질화규소의 열전도성을 활용할 수 있다.
최근에 질화규소의 파괴인성 증진을 위한 노력으로써 조대한 주상정을 미세 조직내에 발달시키려는 노력이 이루어져 왔다.
이러한 노력 가운데 하나로 β상의 종결성(seed crystal)을 이용하여 이를 성장시키는 방법이 연구 되었다.
그러나 이러한 방법은 입자 조대화에 의한 파괴인성의 증진은 이룰 수 있지만 기계적 강도가 저하되는 문제점도 나타내었다.
이러한 단점을 극복하기 위하여 종결성(seed crystal)을 이용하여 성형체를 만들되, 성형체를 일단 박층(sheet)으로 만들고 이들을 적층하여 적층 성형체를 만들고 이를 소결하여 특정방향으로의 파괴인성의 향상을 극대화 하면서 동시에 기게적 강도도도 유지 내지는 향상시키려는 노력이 이루어져 왔다.
그러나 종결성의 크기나 같이 아스펙트 레이쇼(aspect ratio)등이 이들 종결성(seed crystal)의 일방향 배열하기에는 적합하지 않기 때문에 이러한 방법으로는 박층(sheet) 내에서의 2차원적 불규칙성을 피하기 어렵다.
한편, 휘스커의 일방향 배열을 위하여는 그 동안 몇몇 연구자들에 의해 압출의 방법이 채용되어 왔다.
이 방법은 압축의 리덕션 레이쇼(reduction ratio)에 따라 휘스커의 배열정도가 크게 의존하며, 따라서 압출의 비율을 크게 할수록 일방향 배열에 유리하게된다.
이렇게 되면 실제 제품을 만들기 위하여 상대적으로 매우 큰 고가의 장비가 요구되며 더욱이 박층(sheet) 형태로의 성형체를 만들기가 곤란하게 되어, 일방향의 이방성만을 나타내는 두꺼운 성형체 및 소결체가 얻어진다.
따라서 이러한 방법으로 제작할 수 있는 제품의 향상과 칫수는 제한되게 되고 물성도 다양하게 변화하지 못하는 단점이 있다.
본 발명은 질화규소 소결체를 제조하는데 있어서, 일방향으로 배열된 β상의 고순도 질화규소 휘스커를 함유하는 박층(sheet)의 질화규소 성형체를 제작하고, 이들을 적층한 후 고온에서 소성하여 일방향으로 배향된 조대한 β상의 주상 결정립이 성장하게 되는 매우 이방성이 우수하며 박층(sheet)의 적층방법에 따라 다양한 물성을 나타내는 미세구조를 갖는 소결체를 개발하였다.
특히, 본 발명에서 개발한 공정에 따르면, 치밀화 중에 서로 엉키게 되어 치밀화를 방해하는 휘스커들을 배열함으로써 휘스커 강화 복합재료의 치밀화를 촉진하게 되어 다양한 형상의 제품에 이들 휘스커 복합재료를 적용할 수 있다.
상기의 세라믹스 복합체의 실시예가 다음과 같다.
그러나 본 발명은 다음의 실시예에 국한되지는 않는다.
제1도는 본 발명의 실시예 1에 의해 제작된 질화규소 복합체의 미세구조 사진.
제2도는 본 발명의 실시예 2에 의해 제작된 질화규소 복합체의 미세구조 사진.
제3도는 본 발명의 비교예 1에 의해 제작된 질화규소 복합체의 미세구조 사진.
제4도는 본 발명의 비교예 2에 의해 제작된 질화규소 복합체의 미세구조 사진.
본 발명은 질화규소 복합체를 제작함에 있어서, 고순도(98.5wt% 이상)의 β상의 질화규소 휘스커(결정화도 100%, β상/(α상+β상)의 비가 97% 이상, 애스펙트(aspect) 비가 10이상인 침상의 결정립)를 0.5-5wt% 함유하고, 함유된 상기의 휘스커가 일방향(기준방향에서 +/- 30도내의 범위에 휘스커의 50% 이상이 배열되어 있는 상태)으로 배열된 박층(sheet) 및 이 박층(sheet)들을 적층하여 얻어지는 질화규소 복합체이다.
본 발명의 제조에 관한 실시예를 설명한다.
[실시예 1]
질화규소 세라믹스의 소결조제로써 130.5g의 α상을 주성분으로 하는 미세한 고순도 질화규소 분말에 9g의 Y203와 3g의 A1203 분체를 첨가하고 용제인 MIBK(Methyl Isobutyl Ketone) 200ml, 분산제 KD1(ICI Chemical Co., Spain) 3.6g, 질화규소 ball 300g과 함께 planetary ball milling을 4시간동안 한 후에, 결합체인 PVB(Polyvinyl Butyral) 48g과 가소제인 Dibutyl Phthalate 32ml를 첨가하여 3.75시간동안 planetary ball milling 을 더한 후에 질화규소 휘스커 7.5g을 첨가하여 0.25시간동안 planetary ball milling을 더한 후에 tape casting 용 slurry를 얻는다.
이 slurry를 Doctor Blade 기에 의해 두께 150-300㎛의 박층(sheet)을 얻는다.
이때 Doctor Blade의 출구에 0.5mm간격으로 직경 0.1mm 이하의 Pin들을 casting방향과 수직하게 위치시켜 tape casting 중의 slip의 흐름을 제어하므로써 성형체 내의 휘스커들을 일방향으로 배향시킬 수 있다.
이렇게 얻어진 박층(sheet)을 여러장 120℃에서 50Mpa의 압력으로 적층하여 두께 8mm의 적층 성형체를 만든다.
이렇게 얻어진 성형체는 시간당 3℃의 승온속도로 600℃까지 가열하고 5시간 유지한 후, 시간당 30℃의 속도로 냉각하였다.
얻어진 성형체는 (BN+질화규소)의 packing powder에 묻어 흑연도가니 안에 넣어서 가스압소결하였다.
소결조건은 1900℃에서 3시간동안 20기압의 질소분위기압 하에서 수행하였다.
도1은 얻이진 소결체의 미세구조를 보여준다.
[실시예 2]
실시예 1과 같은 방법으로 얻어진 일방향으로 배열된 휘스커를 함유하는 박층(sheet)을 적층함에 있어서 적층방향을 90°씩 돌려가면서 적층하되 각 박층(sheet) 사이에는 휘스커를 함유하지 않는 박층을 제작하여 삽입한다.
그후에는 실시예 1에서와 같은 방법으로 적층 성형체, 유기물 제거, 가스압소결 등을 행하여 소결체를 얻는다.
도2는 얻어진 소결체의 미세구조를보여준다.
[비교예 1]
실시예 1에서와 같은 방법으로 박층(sheet)을 만들되 Doctor Blade에 설치된 Pin 들을 제거하여 박층(sheet)을 만든다.
이때 박층내의 휘스커들은 2차원적으로 실시예 1, 2에서 보다 자유로운 배열을 하게 된다.
이러한 박층(sheet)들을 실시예 1에서와 같은 방법으로 적층, 유기물제거, 가스압소결하여 소결체를 얻는다.
도3은 얻어진 소결체의 미세구조를 보여준다.
[비교예 2]
실시예 1에서와 같은 원료분말들을, 그와 같은 조성으로 섞되, 에타놀 500ml를 이용하여 planetary ball mill 에서 7.75시간동안 ball milling 한 후 휘스커를 첨가하고 다시 0.25시간동안 ball mill한다.
얻어진 slurry는 hot plate와 oven에서 건조하고 다시 유봉과 유발에서 가볍게 분쇄하여 혼합분말을 얻는다.
얻어진 분말을 정량하여 금형에서 1차 성형하고 다시 latex tubing에 넣고 cold isostatic press에서 250Mpa의 압력으로 성형하여 성형체를 얻었다.
얻어진 성형체는 실시예 1에서와 같은 방법으로 가스압 소결하여 소결체를 얻는다.
도4는 얻이진 소결체의 미세구조를 보여준다.
상기 예에서 얻어진 소결체의 특성을 표1에 나타내었다.
Figure kpo00002
* 밀도는 아르키메데스의 방법에 의해 측정.
* 비커스 경도는 20kg 하중으로 10초간 가한 후에 측정.
* 파괴인성은 비커스 경도계에서 20kg의 하중으로 10초간 가한 후에 형성된 균열의 길이를 휘스커와 평행한 방향과 그와 수직한 방향으로 나누어 측정하여 Evans-Charles의 식에 따라 계산하여 구함.
상기와 같이된 본 발명으로서 실지제품을 경제적으로 생산할 수 있고 제품의 형상과 칫수 및 물성을 다양하게 변화시킬 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims (1)

  1. 질화규소 복합체를 제작함에 있어서, 고순도(98.5wt% 이상)의 β상의 질화규소 휘스커(결정화도 100%, β상/(α상+β상)의 비가 97% 이상, 애스펙트(aspect) 비가 10이상인 침상의 결정립)를 0.5-5wt% 함유하고, 함유된 상기의 휘스커가 일방향(기준방향에서 +/- 30도내의 범위에 휘스커의 50% 이상이 배열되어 있는 상태)으로 배열된 박층(sheet) 및 이 박층(sheet)들이 적층된 것을 특징으로 하는 일방향으로 배열된 질화규소 휘스커를 함유하는 박층(sheet)으로 이루어진 자기강화형 질화규소 세라믹스 복합체.
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