KR101649551B1 - SiC-TiN 세라믹 복합체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초기 복합체 조성에서 TiN의 함량이 전체 조성 중 10 부피%를 초과하지 않도록 첨가하여 이루어진 SiC-TiN 세라믹 복합체에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, TiN의 첨가량을 최소화시키면서, Y₂O₃–Sc₂O₃ 를 소결 조제로 사용함으로써 열전도도가 우수하며, 파괴인성과 굴곡강도가 개선된 SiC-TiN 세라믹 복합체를 제조할 수 있다. 또한, 열적 특성과 기계적 물성을 모두 만족할 수 있는 SiC-TiN 세라믹 복합체를 제조하기 위하여, TiN의 함량을 최적화시키고 적절한 소결 조제의 조합과 함량비를 최적화시킨 SiC-TiN 세라믹 복합체를 제공하는 효과를 가진다.

Description

SiC-TiN 세라믹 복합체{SiC-TiN ceramic composites}

본 발명은 SiC-TiN 세라믹 복합체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열적 특성과 기계적 특성이 우수한 SiC-TiN 세라믹 복합체에 관한 것이다.

어떤 재료에서 테일러링 특성(tailoring properties)을 위해 접근할 수 있는 한 방법은 다른 재료들의 특성들을 조합하는 것이다. 실리콘 카바이드는 우수한 열전도성, 산화안정성, 내부식성, 고온 강도 및 내마모성과 같은 특성 때문에 구조적 적용을 위한 아주 중요한 엔지니어링 세라믹이다.

TiN은 높은 융점, 높은 전기 전도도, 방사 손상 내성, 및 금빛 색상과 같은 기능적으로 적용하기에 매력적인 물질이다. 또한 새로운 접근법으로서 SiC에 TiN을 금속산화물 첨가제와 복합화시키는 방법이 주목을 받았다.

TiN을 SiC 내로 복합화시키는 지금까지의 기술들은 다음과 같이 요약할 수 있다：

1. SiC로 TiN를 복합화시키게 되면 SiC의 전기 저항이 현저하게 감소한다. 진공 콜드 스프레이 코팅된 SiC-TiN 복합체의 전기 저항은 182 Ω·cm로 보고되었다. 온도-의존성 저항 특성을 가지는 SiC 세라믹은 SiC-TiN 분말 혼합물에 Y₂O₃-Sc₂O₃ 첨가제를 혼합하여 제조되는데, 초기 조성에서 TiN 함량이 10 부피%까지는 반도체와 같은 특성을 나타내고, 20 부피% 이상에서는 금속과 같은 특성을 나타냈다.

2. SiC 내부로 나노-TiN을 5 중량% 포함시키고, Y₂O₃-Sc₂O₃ 첨가제를 10 중량%로 첨가하는 경우, SiC의 파괴 인성이 최대로 증가되었다. 최대 파괴 인성은 Y₂O₃-Sc₂O₃ 첨가제를 10 중량% 첨가하여 소결시킨 SiC-5 중량%의 TiN 복합체에서 7.8 MPa.m^1/2로 보고되었다.

3. SiC/TiN의 나노다층구조(nanomultilayers)는 실온(r.t.)에서 수퍼경도(superhardness)를 나타냈다. TiN과 SiC층의 두께가 각각 4.3 nm와 0.6 nm일 때 SiC/TiN의 나노다층구조의 최대 경도는 60 GPa로 보고되었다.

4. SiC 메트릭스(matrix)에 TiN을 첨가하게 되면 소결시키는 동안 점진적으로 SiC 및/또는 소결 조제와 반응하게 되어 2차상이 생성된다. 다음 반응식 (1)∼(4)은 소결 공정에서 SiC-TiN의 반응을 요약한 것이다.

(반응식)

TiN + 2B → TiB₂ + 1/2 N₂↑ (1)

4TiN + 7SiC + 4Al₂O₃ → 4TiC + 4AlN + 7SiO↑ + 2Al₂O↑ + 3CO↑ (2)

TiN + 2SiC + 3Y₂O₃ → TiC + 2SiO↑ + 6YO↑ + CO↑ (3)

4TiN + 2SiC → 4TiC_0.5N_0.5 + 2Si_(liquid) + N₂↑ (4)

상기 반응식 (1) 내지 (4)에서, B, Al₂O₃, 및 Y₂O₃는 소결 조제로 첨가된 것이고, 이들은 TiN 및 SiC와 반응하여 TiB₂, TiC, 또는 AlN을 생성시킨다.

SiC-TiN 복합체는 다음 반응식 (5)에 의해 합성될 수 있다：

3TiC + Si₃N₄ → 3TiN + 3SiC + 1/2 N₂↑ (5)

일본공개특허 1994-263540 에 의하면, 파괴인성치나 내충격성이 우수한 복합 소결체 및/또는 방전 가공이 가능하고 도전성이 부여된 복합 소결체로서, 매트릭스상이 질화규소-탄화규소로 이루어지고, 그 매트릭스상이 평균 입경 1㎛ 이하의 탄화규소 입자를 입계에 분산시키고, 수 nm로부터 수백 nm의 탄화규소 입자가 질화규소 입자 내에 분산된 미세 구조로 이루어진 질화규소-탄화규소이며, 분산상이 주기율표 4A, 5A, 6A족의 탄화물, 질화물, 붕화물, 규화물로부터 선택되는 적어도 1종 혹은 이들과 매트릭스상과의 고용체로 이루어진 것을 제시하고 있다.

그러나, 상기 특허에서는 매트릭스상으로 질화규소-탄화규소로 이루어진 것을 사용하고, 분산상 물질로서 포함된 4A, 5A, 6A족의 탄화물, 질화물, 붕화물, 규화물로부터 선택되는 적어도 1종의 물질들이 10∼30부피%로 첨가되는 것을 알 수 있다. 그러나, 상기 분산상 물질의 함량이 많이 포함되는 경우에는 파괴 인성과 같은 기계적 물성은 개선될 수 있으나, 열전도도와 같은 열적 특성이 나빠질 수 있다.

일본공개특허 1994-263540

K. J. Kim, K. M. Kim, and Y.–W. Kim, "Highly Conductive SiC ceramics containing Ti2CN."J. Eur. Ceram. Soc., 34. 1149-54(2014).

지금까지의 SiC-TiN 복합체에서는 열적, 기계적 특성에 대한 연구들은 진행되지 못하였고, 전기적 특성과 이의 제조 방법에 대해서만 초점이 맞춰져 왔다.

따라서, 본 발명에서는 복합체 조성에서 초기 TiN 함량을 변화시키면서 SiC-TiN 복합체를 제조하고 열적 및 기계적 특성을 조사하여, 여러 가지 물성이 우수한 조건을 가지는 SiC-TiN 세라믹 복합체를 찾고자 하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 전체 조성에서 첨가되는 TiN 함량을 최적화시키고, 적절한 소결조제를 혼합함으로써 열적 및 기계적 특성이 우수한 SiC-TiN 세라믹 복합체를 제공하는 데 있다.

본 발명에 따른 SiC-TiN 세라믹 복합체는 초기 복합체 조성에서 TiN의 함량이 전체 조성 중 10 부피%를 초과하지 않도록 첨가하여 이루어진 것을 그 특징으로 한다.

상기 TiN 함량은 전체 조성 중 0.1∼5 부피%인 것이 바람직하다.

상기 SiC-TiN 세라믹 복합체는 SiC-TiC_(1-x)N_x이며, 여기서 x는 0.5인 것을 특징으로 한다.

상기 복합체는 Y₂O₃-Sc₂O₃ 첨가제를 소결 조제로 첨가하여 가압소결(hot pressing)시킨 것을 특징으로 한다.

상기 Y₂O_3：Sc₂O₃ 복합체는 1：1의 몰비로 혼합되는 것이 바람직하다.

상기 Y₂O₃-Sc₂O₃ 첨가제는 전체 복합체 조성 중 0.1∼2 부피%로 첨가되는 것이 바람직하다.

상기 SiC-TiC_0.5N_0.5 복합체의 상대 밀도는 ≥98.5% 인 것일 수 있다.

상기 SiC-TiN 세라믹 복합체는 SiC, TiN, 및 Y₂O₃-Sc₂O₃ 소결 조제를 혼합한 혼합물을 2000∼2100℃의 온도, 30∼40 MPa의 압력에서 3∼4 시간 동안 가압소결시켜 제조된 것일 수 있다.

본 발명에 따르면, TiN의 첨가량을 최소화시키면서, Y₂O₃ -Sc₂O₃ 를 소결 조제로 사용함으로써 열전도도가 우수하며, 파괴인성과 굴곡강도가 개선된 SiC-TiN 세라믹 복합체를 제조할 수 있다.

또한, 열적 특성과 기계적 물성을 모두 만족할 수 있는 SiC-TiN 세라믹 복합체를 제조하기 위하여, TiN의 함량을 최적화시키고 적절한 소결 조제의 조합과 함량비를 최적화시킨 SiC-TiN 세라믹 복합체를 제공하는 효과를 가진다.

도 1은 단일상 SiC, 및 2∼35 부피%의 TiN을 포함하여 소결된 SiC-based 복합체의 XRD 패턴이고,
도 2는 단일상 SiC(STN0)의 미세 구조를 나타낸 것이고,
도 3은 STN2의 미세 구조를 나타낸 것으로,
도 4는 STN35의 미세 구조를 나타낸 것으로, 화살표와 서클은 각각 SiC와 TiC_0.5N_0.5 그레인(grain)에서의 코어/림 (core/rim)구조를 나타낸 것이며,
도 5는 SEM 사진과 STN35 조성에서의 각 원소의 맵(map)을 나타낸 것으로, (a)SEM 사진, (b) 실리콘(silicon), (c) 티타늄(titanium), (d) 이트륨(yttrium), (e) 스컨튬(scandium), (f) 카본(carbon), and (g) 질소(nitrogen)의 성분 분포를 나타낸 것이고,
도 6은 단일상 SiC와 SiC-TiC_0.5N_0.5 복합체의 열전도도 및 포논 평균 자유 거리(phonon mean free path)를 나타낸 것이고,
도 7은 두께 1.13nm의 비정질 입계막을 가지는 SiC-SiC 계면에서의 HRTEM 현미경 사진이고,
도 8은 비정질 입계막을 가지지 않는 SiC-TiC_0.5N_0.5 계면에서의 HRTEM 현미경 사진이고,
도 9는 TiN 함량에 따른 단일상 SiC와 SiC-TiC_0.5N_0.5 복합체의 굴곡강도와 파괴 인성을 나타낸 것이고,
도 10은 STN0 시편에서의 비커스 압입시험(Vickers indentation)으로부터 크랙 길(crack path)를 나타낸 SEM 사진이고,
도 11은 STN35 시편에서의 비커스 압입시험(Vickers indentation)으로부터 크랙 길을 나타낸 SEM 사진이고,
도 12는 STN0 시편의 전형적인 파단면을 나타낸 것이고,
도 13은 STN35 시편의 전형적인 파단면을 나타낸 것이고,
도 14∼16은 SiC-TiC_0.5N_0.5 복합체에서 각각 (a) STN10, (b) STN20, 및 (c) STN35 에서의 파단 근원(fracture origin)을 나타낸 것이고,
도 17은 TiN 함량에 따른 단일상 SiC와 SiC-TiC_0.5N_0.5 복합체의 비커스 경도를 나타낸 것이다.

이하에서 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.

본 발명은 열적 특성 및 기계적 특성이 우수한 SiC계 세라믹 복합체에 관한 것이다.

특별히 본 발명에서는 SiC 세라믹에 질화물(Nitride)의 함량을 최적화시켜, 열적 및 기계적 특성을 가지는 SiC-TiN 세라믹 복합체를 제조하고자 하였다. 본 발명에 따른 질화물은 질화티타늄(TiN)이 가장 바람직하게 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 SiC-TiN 세라믹 복합체는 초기 조성에서 TiN의 함량이 전체 조성 중 10 부피%를 초과하지 않도록 첨가하여 이루어진 데 특징이 있다.

상기 SiC-TiN 세라믹 복합체는 SiC-TiC_(1-x)N_x로 표시될 수 있으며, 여기서 x는 0.1∼0.5인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 SiC-TiN 세라믹 복합체의 초기 조성에서 TiN의 함량이 10 부피%를 초과하는 경우 열전도도와 비커스 경도가 감소하기 때문에 바람직하지 못하다. 따라서, 바람직한 TiN의 함량은 초기 조성에서 전체 조성 중 0.1∼5 부피%이다.

본 발명에서 SiC-TiN 세라믹 복합체의 초기 조성에서 TiN의 함량이 10 부피%를 초과하는 경우 열전도도가 감소하는 것은, 첫째, SiC와 비교했을 때 TiC_(1-x)N_x 가 더 낮은 열전도도를 가지기 때문이다. 또한, 두번째는 TiN의 함량이 10 부피%를 초과하여 증가함에 따라 SiC의 그레인 크기가 감소하여 포논-그레인 경계에서 포논의 산란을 증가시키기 때문이다.

또한, 본 발명에 따른 상기 SiC-TiN 세라믹 복합체는 Y₂O₃-Sc₂O₃ 첨가제를 소결 조제로 첨가하여 가압소결시켜 제조하는 데 특징이 있다.

상기 Y₂O₃-Sc₂O₃ 첨가제의 조합은 최종 제조되는 SiC-TiN 세라믹 복합체에 높은 열전도도를 가지도록 할 수 있기 때문에 선택된 것이다.

통상, 첨가제의 양이 적을수록 SiC-based 복합체에서 높은 경도를 제공하는 것으로 알려져 있다. 따라서, 본 발명에서는 첨가제의 함량을 전체 조성 중 0.1∼2 부피%로 최소화시켜 지금까지 공지된 SiC계 세라믹 복합체에 비해 더 미세한 미세 구조를 가짐으로써, 경도가 개선된 SiC-TiN 세라믹 복합체를 제조하였다.

또한, 본 발명에 따른 소결조제는 Y₂O_3：Sc₂O₃ 를 1：1의 몰비로 혼합시키는 것이 경도 및 열전도도 개선에 바람직하다.

따라서, 본 발명에 따른 SiC-TiN 세라믹 복합체의 비커스 경도 값은 20∼25 GPa 의 범위를 가지는데, 이러한 값은 소결조제로서 Y₃Al₅O₁₂를 10 중량%로 사용하거나, Al₂O₃-Y₂O₃를 10 중량%로 사용한 SiC계 세라믹 복합체의 비커스 경도 값과 유사한 것이다. 이러한 결과로부터, 본 발명과 같이 Y₂O₃-Sc₂O₃ 첨가제를 조합하여 소결조제로 사용하되, 그 함량을 이전 소결조제의 함량의 1/5 수준으로 최소로 포함시키더라도 우수한 경도를 가지는 SiC-TiN 세라믹 복합체의 제조가 가능한 효과를 가진다.

또한, 본 발명에서는 TiN을 첨가제로 포함함에 따라 SiC-TiC_0.5N_0.5 복합체의 밀도를 향상시킬 수 있다. 즉, TiN을 포함하고 있는 모든 시편들은 질소 분위기에서 2000℃, 40MPa의 조건에서 3시간 동안 가압소결시켰을 때, 최대 ≥99.3%까지 밀도를 높일 수 있다.

이러한 결과는 단일상 SiC 시편에 Y₂O₃-Sc₂O₃ 첨가제를 소결조제로 사용하여 가압소결시키는 공정에서 SiC 고유의 산화물 필름인 SiO₂와 반응하여 Y-Sc-Si 옥사이드 액상을 형성한다. 또한, 온도가 올라감에 따라 소결 환경으로부터 질소와 SiC의 용해로부터 Y-Sc-Si 옥시카보나이트라이드(OCN)가 생성된다. 상기 Y-Sc-Si OCN 액상은 액상 소결 기구를 통하여 상기 시편이 치밀화되는 데 작용함으로써, 최종 제조되는 SiC-TiN 세라믹 복합체의 밀도 향상에 기여하게 된다.

따라서, 본 발명에 따른 상기 SiC-TiC_0.5N_0.5 복합체의 상대 밀도는 ≥98.5% 의 값을 가진다.

이러한 본 발명에 따른 SiC-TiN 세라믹 복합체는 상기와 같은 TiN의 함량과, Y₂O₃-Sc₂O₃ 소결첨가제를 혼합하여 가압소결 공정에 의해 제조되는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 가압소결시키는 공정 조건에 있어서도 종래의 공정 조건보다 마일드(mild)한 분위기에서 수행할 수 있는데, 예를 들어, 2000∼2100℃의 온도 부근에서, 30∼40 MPa의 압력에서 3∼4 시간 동안 가압소결시킨 것이다.

또한, 본 발명에 따른 SiC-TiC_0.5N_0.5 복합체의 기계적 물성은 TiN 함량에 따라 다소 상이한 결과를 나타낸다. 즉, TiN 함량이 증가함에 따라 굴곡강도는 10 부피%를 기점으로 서서히 감소하는 결과를 나타냈다. 그러나, 파괴인성은 TiN 함량이 증가함에 따라 조금씩 증가하는 결과를 나타냈다.

따라서, 본 발명과 같이 Y₂O₃-Sc₂O₃ 소결첨가제를 사용함과 동시에, 전체 조성에서 초기 TiN의 함량을 최적화시킴으로써 열적 특성과 기계적 물성을 모두 만족할 수 있는 SiC-TiN 세라믹 복합체의 제조가 가능하다.

이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 또한, 이하의 실시예에서는 특정 화합물을 이용하여 예시하였으나, 이들의 균등물을 사용한 경우에 있어서도 동등 유사한 정도의 효과를 발휘할 수 있음은 당업자에게 자명하다.

실시예 1∼5

β-SiC(∼0.5㎛, BF-17, H.C. Starck, Berlin, Germany), TiN(Grade C, ∼1.0㎛, H.C. Starck, Berlin, Germany), Y₂O₃ (99.99%, Kojundo Chemical Lab Co., Ltd., Sakado-shi, Japan), 및 Sc₂O₃ (99.9%, Kojundo Chemical Lab Co., Ltd., Sakado-shi, Japan)를 출발물질로 사용하였다.

파우더 혼합물을 에탄올이 담긴 5 개의 배치에 혼합하고, SiC 볼과 폴리프로필렌 jar를 이용하여 24시간 동안 혼합시켰다. Sc₂O₃：Y₂O₃의 몰비는 1：1로 하였으며, 첨가제(Sc₂O₃,Y₂O₃)의 함량은 다음 표 1에서와 같이 모든 배치에서 2 부피%로 고정하였다. 밀링된 슬러리를 건조시키고, 체에 거른 다음, 질소 분위기에서 2000℃, 40MPa의 조건에서 3 시간 동안 가압소결 과정을 거쳤다

시편	배치 조성(vol%)	이론밀도 (g/㎤)	상대밀도 (%)	비열 (실온, J/(g·K))	열전도도 [실온, W/(mK))]
STN0	98.00% SiC + 1.13% Y2O3 + 0.87% Sc2O3	3.24	98.9	0.667± 0.000	199.6±2.7
STN2	96.00% SiC + 2.00% TiN + 1.13% Y2O3 + 0.87% Sc2O3	3.262	99.9	0.702±0.000	224.1±1.4
STN10	88.00% SiC + 10.00% TiN + 1.13% Y2O3 + 0.87% Sc2O3	3.457	99.3	0.667±0.000	131.0±0.8
STN20	78.00% SiC + 20.00% TiN + 1.13% Y2O3 + 0.87% Sc2O3	3.674	99.5	0.698±0.000	102.8±1.4
STN35	63.00% SiC + 35.00% TiN + 1.13% Y2O3 + 0.87% Sc2O3	4.000	99.7	0.628±0.000	90.3±1.2

실험예1 ：미세구조 확인

가압소결시킨 시편들의 상대 밀도는 아르키메데스 방법을 이용하여 측정하였다. 각 시편들의 이론적인 밀도는 혼합물의 룰에 따라 계산하였으며, 다음 표 1에 나타낸 바와 같다.

Monolithic SiC 샘플(STNO)의 상대밀도 측정을 위하여 서브마이크로미터 크기의 β-SiC와 2 부피%의 Y₂O₃-Sc₂O₃ 첨가제를 첨가하여 상대밀도 98.9%인 샘플을 제조하였다. TiN을 포함하고 있는 다른 모든 시편들은 질소 분위기에서 2000℃, 40 MPa의 조건에서 3 시간 동안 핫-프레스시켰을 때, ≥99.3%까지 밀도를 높일 수 있었다. 이러한 결과는 TiN의 첨가로 SiC-TiC_0.5N_0.5 복합체의 밀도를 향상시킬 수 있다는 것을 유추할 수 있다. Monolithic SiC 시편에서, Y₂O₃-Sc₂O₃ 첨가제는 가압소결 공정 동안 SiC 고유의 산화물 필름의 SiO₂와 반응하여 Y-Sc-Si 옥사이드 액상을 형성한다. 또한, 온도가 올라감에 따라 소결 환경으로부터 질소와 SiC의 용해로부터 Y-Sc-Si 옥시카보나이트라이드(OCN)가 생성된다. 상기 Y-Sc-Si OCN 액상은 액상 소결을 통하여 상기 시편이 치밀화되는 데 작용한다. 마찬가지로, Y₂O₃-Sc₂O₃ 첨가제는 SiC 고유의 산화물 필름의SiO₂와 TiN 표면의 TiO₂와 반응하여 가압소결 과정에서 Y-Sc-Ti-Si 옥사이드 액상을 형성한다. 온도가 올라감에 따라, 소결 환경으로부터 질소와 SiC, TiN의 용해에 의해 Y-Sc-Ti-Si-OCN 액상이 생성된다. Y-Sc-Ti-Si-OCN 액상의 생성은 이하의 EDS 결과로부터 확인할 수 있다. Y-Sc-Ti-Si-OCN 액상의 점도는 상기 Y-Sc-Ti-Si 옥사이드 액상의 점도 보다 더 낮고, 이러한 더 낮은 점성을 가지는 액상은 복합체의 소결 밀도를 개선시킬 수 있을 것이다.

실험예2 ： XRD 구조 확인

SiC의 결정상은 X-선 회절법(XRD; D8 Discover, BrukerAXS GmbH, Karlsruhe, Germany)에 따라 측정하였으며, 그 결과를 다음 도 1에 나타내었다. TiC(1-x)Nx상의 격자 상수는 XRD 데이터를 이용하여 계산하였다.

다음 도 1을 참조하면,β-SiC와 TiN이 2 부피%로 구성된 시편의 XRD 패턴을 나타내고 있다. TiN의 함량이 10 부피%(STN10) 이상 포함하는 시편의 경우, β-SiC 피크를 따라 새로운 피크들이 관찰되었다.(도 1의 점으로 표시된 것 참조) STN10, STN20, 및 STN35 시편들에서의 새로운 피크들은 TiC(1-x)Nx 피크와 잘 일치하는 것을 알 수 있다. TiC(1-x)Nx의 계산된 격자상수는 STN20에서는 0.42863 nm, STN35에서는 0.42859 nm였다. 두 값은 TiC_0.5N_0.5(JCPDS 071-6059)의 격자상수 값인 0.42860 nm와 거의 비슷한 것이다.

상기 XRD 결과로부터, 1) 소결 과정에서 TiN 입자들이 이웃하는 β-SiC 입자들의 카본 원자와 결합하여 TiC_0.5N_0.5 상으로 변환되었으며, 2) SiC의 β→α 상으로의 변화는 가압소결 공정 동안 완벽하게 억제되었음을 알 수 있다.

TiC_0.5N_0.5 상(phase) 형성의 가능한 메커니즘은 상기 반응식 (4)에 의해 제안된 것과 같이, 가압소결 과정에서 TiN과 SiC 간의 화학 반응이다. 그 안에서, 반응식 (4)에서 액상의 Si와 가스상의 N₂는 가압소결 공정에서 형성된 Y-Sc-Ti-Si-OCN 액상에 용해된다.

두번째 가능한 메커니즘은 가압소결 공정과 이어지는 냉각 과정에서 형성된 Y-Sc-Ti-Si-OCN 액상으로부터 TiC_0.5N_0.5 상(phase)의 침전이다. 이전 연구에서, 1 부피%의 Y₂O₃-Sc₂O₃ 첨가제와 함께 2050℃에서 가압소결시킨 고온 전도성 SiC 세라믹의 경우, 가압소결 공정 후에 β→α 상전이의 결과로 소량의 α-SiC가 생성되었다.

상기 시편에서 SiC 에서 β→α 상으로의 상전이가 억제된 것은 가압소결 온도가 낮아진 것과, OCN 액상의 존재로 β-SiC의 증가된 안정성 등의 두 가지 이유인 것으로 설명될 수 있다.

다음 도 2∼4는 단일상 SiC 및 SiC-TiC_0.5N_0.5 복합체의 전형적인 미세 구조를 나타낸 것이다. 도 2∼4를 참조로 다음과 같이 그 특징을 정리할 수 있다：

(1)SiC 그레인 크기는 출발 물질 조성에서 TiN 함량이 증가됨에 따라 작아진다. 즉, TiN의 역할은 그레인 성장 억제제로 작용함을 알 수 있다. (2) TiC_0.5N_0.5의 그레인 크기는 STN2 샘플에서 ∼1㎛였다가, STN35 샘플에서는 ∼5㎛까지 증가된다. 이로부터, TiC_0.5N_0.5의 그레인 성장은 핫-프레스 공정에서 발생된다. (3)TiC_0.5N_0.5 상의 위치는 그 크기에 따라 달라진다. 즉, 그레인 크기가 <1㎛과 같이 작은 경우에는 SiC 그레인 안에 대부분 트랩(trap)되지만, 그레인 크기가 ≥1㎛로 큰 경우에는 그레인의 경계면 또는 다수의 그레인(multigrain) 접합면에 위치하게 된다. (4)코어/림 구조는 도 4에서와 같이 SiC와 TiC_0.5N_0.5 그레인 모두에서 관찰되었으며, 이로부터 Ti(C, N) 서멧 시스템에서와 같이 시편에서 용액-재침전 프로세스가 발생됨을 알 수 있다. (5)TiC_0.5N_0.5 그레인의 형상은 그 위치에 따라 달라지는데, 예를 들어, 크기가 <1㎛과 같이 작은 TiC_0.5N_0.5 그레인은 SiC 그레인의 안쪽에 트랩되어 구형을 이루는 반면, 큰 그레인들은 등방형(equaxied) 또는 불규칙적인 형태로 그레인의 경계면 또는 그레인 사이의 접합점에 존재한다.

이러한 결과로부터 작은 TiC_0.5N_0.5 그레인들은 액상으로부터 침전 및 생성되어, 성장하는 SiC 그레인 안쪽에 트랩되는 것을 알 수 있다. 또한, 큰 TiC_0.5N_0.5 그레인들은 반응식 (4)에 의해 형성되며, SiC 그레인의 성장에 의해 변형되는 것을 알 수 있다. TiN과 같이, TiC_0.5N_0.5는 가압소결 온도에서 연성을 가진다.

실험예3 ： SEM 이미지 확인

가압소결시킨 시편들을 폴리싱시키고, 10% 산소를 포함하는 CF₄플라즈마로 에칭시켰다. 에칭시킨 미세구조와 파단 표면을 SEM(S4300, Hitachi Ltd., Hitachi, Japan)으로 측정하였으며, 그 결과를 다음 도 5에 나타내었다.

다음 도 5의 결과에서와 같이, SEM 이미지와 STN35 샘플에서 EPMA에 의한 Si, Ti, Y, Sc, C, 및 N의 dot mapping을 각 샘플에서 각 원자의 위치를 나타내었다.

STN35 샘플의 미세구조는 질소-도핑된 SiC 그레인, TiC_0.5N_0.5 그레인, 및 Y-Sc-Ti-Si-OCN 상으로 구성되어 있으며, 이는 이후의 그레인-계면 필름에서 EDS 분석에서도 확인할 수 있을 것이다.

다음 도 5에서 동그라미 영역은 대부분 Si으로 구성된 큰 TiC_0.5N_0.5 그레인들의 코어를 나타낸다. 반응식 (4)의 반응생성물 중 하나인 Si은 TiC_0.5N_0.5 그레인의 코어에 부분적으로 남아있는 것을 알 수 있다.

실험예4 ：열전도도 측정

열전도도는 레이저 플래쉬법에 의해 측정하였다. 열전도도측정장치(LFA 447, NETZSCH GmbH, Selb, Germany)와 시차주사열분석기(differential scanning calorimetry, DSC, Model Q200, TA Instrument Inc., New Castle, DE)를 이용하였으며, 열전도도(α)와 열용량(C _p)을 각각 측정하였다.

핫프레스시킨 샘플을 열전도도 측정용 샘플 (10　mm　×10　mm×4　mm)과 열용량 측정용 샘플(2.84　mm×2.84　mm×1　mm)의 크기로 자르고, 연마시켰다. 시편의 넓은 표면을 가압소결시킨 방향과 반대면으로 정렬시키고, 다음 수학식 1에 따라 열전도도를 측정하였다.

(수학식 1)

κ = α ρ C _p

상기 식에서 ρ는 샘플의 밀도이다.

평균 포논 자유 거리 (ι)는 다음 수학식 2에 따라 계산하였다.

(수학식 2)

여기서 κ는 열전도도이고, V는 복합체에서의 평균 소리 속도(average sound velocity)이다.

실온에서 측정한 각 시편에서의 열용량은 상기 표 1에 나타낸 바와 같다. 실온에서 SiC와 TiN에서의 소리 속도는 각각 11820　m/s 과 9357　m/s 였다. TiC_0.5N_0.5에서의 소리 속도는 문헌상 유효하지 않기 때문에 TiN에서의 소리 속도를 포논 평균 자유 거리를 계산하는 데 사용하였다. 복합체에서의 소리 속도는 혼합물의 룰을 이용하여 계산하였다. 따라서, 여기서 계산된 평균 자유 거리는 정확한 값은 아니고 대략의 근사값으로 보면 된다.

단일상(Monolithic) SiC와 SiC-TiC_0.5N_0.5 복합체의 열전도도는 다음 도 6에 나타내었다.

단일상 SiC의 열전도도는 199.6W/m·K였고, 최대값은 TiN을 2 부피%로 첨가했을 때 224.1W/m·K였으며, TiN의 함량이 35 부피%로 증가할 때 90.3W/m·K까지 점차 감소하였다.

통상적으로, SiC 및 TiN 세라믹에서 열은 대부분 포논에 의해 부분적으로는 전자에 의해 운행된다. 다결정 세라믹에서는, 포논의 이동이 화학적 및 구조적 결함(불순물)에 의해 산란된다. 상호작용은 포논-불순물 산란과 포논-입계 (grain boundary) 산란을 포함한다. SiC 세라믹의 경우, 산소는 비산화 세라믹의 열전도도에 영향을 주는 격자에서 주요 불순물이다.

STN0, STN2, STN10, STN20, 및 STN35의 경우 실온에서 평균 포논 평균 자유 거리(average phonon mean free path)는 각각 24.0, 25.0, 14.9, 10.7, 및 9.9 nm 이다. 열전도도의 변화는 각 샘플에서 포논 평균 자유 거리에서의 변화와 일치한다.

SiC와 TiC_0.5N_0.5의 평균 그레인 크기는 다음 도 2∼4에서와 같이 각각 1.9∼5.3 ㎛였다. SiC는 출발 조성에서 TiN을 ＜20 부피% 포함하는 복합체 내에서 주요 상(연속상)이기 때문에, 열전도도는 복합체에서 주로 SiC 그레인의 특성에 의해 영향을 받는다. 포논 평균 자유 거리는 SiC의 그레인 크기의 1/100∼1/250이므로, 열전도도는 1차적으로는 SiC 격자에서 포논-산소 산란에 의해, 2차적으로는 포논-입계 산란에 의해 영향을 받는다. 반대로, TiN을 ≥20 부피% 함유하는 복합체에서는 TiC_0.5N_0.5 상의 3차원적인 네트워크가 관찰된다. 따라서, 전도성 전자의 열전도도로의 높은 기여를 복합체 내에서 기대할 수 있다.

이전 연구에서, Y₂O₃-Sc₂O₃를 1　vol%로 포함하여 소결된 단일상 SiC 에서는 234.2　W/m　K 의 열전도도를 가졌다. 그러나, 본 발명에서의 단일상 SiC의 열전도도는 199.6　W/m　K였으며, 이는 이전의 값보다 더 낮은 것이다. 이러한 차이는 본 발명의 단일상 SiC와 이전 연구에서의 SiC 세라믹 간의 미세구조와 포논 평균 거리의 차이에 기여한다. (1)본 발명의 SiC의 그레인 크기는 ∼5.3 ㎛인 반면, 이전에는 ∼12　㎛였다; (2) 본 발명과 이전 연구에서의 평균 포논 평균 자유 거리는 각각 24　nm와 26　nm였다.

그레인 크기에 있어서의 차이는 공정 조건과 첨가제 함량의 차이에 기인한 것이다. 열전도도가 234.2　W/m·K 인 SiC 세라믹은 2050℃에서 6 시간 동안 핫-프레스시킨 것이다. 반면, 본 발명의 단일상 SiC는 2000℃에서 3 시간 동안 핫-프레시시킨 것이다. 이전 연구에서의 첨가제 함량은 1 부피%였으나, 본 발명에서는 첨가제 조성은 같지만, 첨가제의 함량은 2 부피%였다. TiN을 2 부피% 첨가함으로써 열전도도를 199.6에서 224.1W/m·K로 개선시켰다. 기준 물질인 STN0 시편과 비교하여 STN2 시편에서 높은 열전도도를 가지는 것으로부터 다음과 같은 사실을 알 수 있다：

(1) SiC격자(lattice)에서 Ti의 용해도 부족; (2) SiC에서 상전이의 부재; (3) TiN의 첨가에 의해 SiC 표면 또는 격자로부터 산소의 추출(분리); 및 (4) STN0(1.0×10^-1Ω㎝)에 비해 STN2 시편에서의 높은 전기 전도도 (5.8×10^-3　Ω㎝)

반도체에서는 전도성 전자는 열 전도뿐만 아니라 포논에도 기여할 수 있다. SiC 그레인에서 α/β 계면(interface)의 생성은 계면에서 증가된 포논 산란으로 유도된 β→α의 상전이로 인한 것이며, 이는 열전도도를 감소시킨다.

따라서, 다음 도 1에서 보는 바와 같이, 상전이의 부재는 열전도도를 증가시킬 수 있는 잇점이 있다. Zhou 등은 격자의 산소가 SiC 세라믹의 열전도에 중요한 작용을 하는 것으로 보고하고 있다 (Y. Zhou, K. Hirao, K. Watari, Y. Yamauchi, and S. Kanzaki, "Thermal Conductivity of Silicon Carbide Densified with Rare-Earth Oxide Additives," J. Eur. Ceram. Soc., 24, 265-70 (2004)). SiC의 격자 또는 표면으로부터 산소의 추출은 다음과 같은 의미로 이해할 수 있다： (1)TiO₂ (rutile)의 생성에 따른 Gibbs 자유에너지는 SiO₂ (cristobalite) 에 비해 실온에서 소결 온도(2000℃)까지의 범위를 통해봤을 때 더 낮다; (2) STN2 샘플에서 Y-Sc-Ti-Si-OCN 액상의 생성.

실험예5 ：HRTEM이미지

고해상도 투과전자현미경(high-resolution transmission electron microscopy, HRTEM)측정을 위하여 SiC 디스크(직경 3　mm)를 표준법에 따라 제조하였다. HRTEM (400　kV, JEM-4010, JEOL, Tokyo, Japan)은 SiC-SiC와 SiC-TiC_0.5N_0.5 상 계면의 관찰을 위해 사용되었다. 에너지 분산형 분석기(energy dispersive spectroscopy (EDS) 를 이용하여 15-nm직경의 전자 탐침을 사용하였다.

SiC-SiC와 SiC-TiC_0.5N_0.5 계면에서의 전형적인 HRTEM 이미지를 다음 도 7∼8에 나타내었다. ∼1.13　nm의 두께를 가지는 SiC-SiC 계면에서 비정질 입계막(grain-boundary film)을 나타냈으나, SiC-TiC_0.5N_0.5 경계면에서는 깨끗한 계면이 관찰되었다. 비정질 입계막과 SiC-SiC 입계상 13점(spot)의 조성을 EDS로 관찰하였으며, STN2샘플에서 얻어진 평균 조성은 0.6　at.% Y, 0.8　at.% Sc, 0.8　at.% Ti, 55.1　at.% Si, 2.8　at.% O, 38.9　at.% C, 및 1.0　at.% N 였다.

EDS 분석을 위한 탐침의 크기는 입계막의 두께보다 더 크기 때문에, 데이터는 이웃하는 SiC 그레인으로부터의 영향을 다소 포함할 수 있다. 그러나, 얻어진 데이터를 통하여 입계영역에 존재하는 원자들을 정성적으로 확인할 수 있다. 입계막은 STN2 샘플에서 Y-Sc-Ti-Si-OCN으로 구성되어 있다.

이러한 결과는 Y-Sc-Ti-Si-OCN 액상이 Y₂O₃-Sc₂O₃으로 소결된 SiC-TiC_0.5N_0.5 복합체에서 생성되는 것을 명백하게 보여준다. 이로부터, 첨가된 TiN의 일부는 소결되는 동안 액상(glass phase)으로 녹아 들어 가며, SiC 입자에서 산소를 배출시킨다. 234.2　W/m　K의 열전도도를 가지는 SiC 세라믹의 SiC-SiC 계면에서 HRTEM 을 이용한 이전 관찰 결과로부터 결정화된 부분 또는 깨끗한 계면을 나타냈는데, 이는 SiC-SiC 계면 간에는 비정질 필름이 없음을 의미한다. 본 발명과 이전 연구를 비교하면, Ti가 Y-Sc-Si-OCN glass로의 복합화는 소결 후 냉각시키는 동안 SiC-SiC 계면에서 무정형 필름의 결정화를 억제시키는 것을 알 수 있다.

TiN의 함량이 2∼35 부피%로 증가함에 따라 열전도도는 224.1에서 90.3 W/m　K로 점차적으로 감소되는데, 이는 다음의 이유에 의한 것이다： 1)SiC와 비교했을 때 TiC_0.5N_0.5의 더 낮은 열전도도; 및 (2)SiC의 그레인 크기의 ∼5.3에서 1.9㎛로 감소는 TiN의 함량이 2∼35 부피%로 증가함에 따라 포논-그레인 경계 산란을 증가시킨다. 포논 평균 자유 거리가 STN2에서 25nm이고, STN35에서 9.9nm 로 감소하는 것도 상기 제안을 뒷받침할 수 있다.

실험예 ： 기계적 물성 측정

굴곡강도 측정용 샘플은 2　mm×2.5　mm×25　mm 크기의 막대-모양의 샘플로 자르고 연마시켰다. 상기 막대의 인장표면은 6-㎛ 다이아몬드 페이스트로 연마시키고, 절개(sectioning)로 인해 발생되는 큰 엣지(dege) 결함과 스트레스 축적을 피하기 위해 인장 엣지 부분을 둥그렇게 만들었다. 굴곡강도 테스트는 내부와 외부의 지름이 각각 10mm, 20mm인 4-점 굴곡강도 측정법을 이용하여 크로스헤드 속도 0.5　mm/min에서 수행하였다.

파괴 인성은 ASTM C1421-10에 의해 측정하였다. 테스트 시편의 크기는 3×4×25　mm로 하였다. Knoop indenter를 테스트 시편의 연마된 표면의 중간지점에 결함(indent)를 만들기 위해 사용하였다. 압입하중 (indentation force)은 49　N이고, 최대하중에서 유지 시간은 15 초였다. 테스트 전에, 잔류 스트레스 손상 영역(residual stress damage zone)을 미세연마(mild grinding)에 의해 제거시켰다. 비커스 경도는 9.8　N 와 유지시간 10 초의 조건에서 Vickers 압입자(indenter)를 사용하여 측정하였다.

다음 도 9에서 확인할 수 있는 바와 같이, 단일상 SiC와 SiC-TiC_0.5N_0.5 복합체의 굴곡강도와 파괴 인성은 초기 TiN 함량에 따라 크게 달라진다. TiN 함량이 증가함에 따라 파괴 인성은 증가되며, TiN 함량이 35 부피%에서 최대 값이 6.2　MPa　m^1/2를 나타냈다. TiN의 함량이 증가함에 따라 파괴 인성이 증가되는 것은 다음 도 6에서와 같이 TiC_0.5N_0.5 그레인에 의한 균열 굴절(crack deflection)에 의한 것이다.

또한, 다음 도 12∼13에서와 같이, 초기 TiN 함량이 증가함에 따라 입계 파괴 경향은 증가되었다. 또한, SiC의 파괴 모드는 부분적 입계 파괴(intergranular fracture) 및 부분적 입내 파괴(transgranular fracture)의 혼합된 모드를 나타냈다.

반대로, STN35 의 파괴 모드는 입계파괴인데 이는 가압소결 후 냉각 과정에서 액상과 SiC 및/또는 TiC_0.5N_0.5 그레인 간의 열팽창계수의 차이에 의해 주로 발생된 약한 계면으로 인한 것이다. 입계 파괴가 증가된 경향을 보이는 것은 SiC와 TiC_0.5N_0.5 그레인 간의 열팽창에서의 큰 차이(Δα = 5×10^-6/℃)에 기인한다. 이는 다음 도 10∼11에서와 같이 비커스 압입(Vickers indentation)에 의한 균열 전파 거동(crack path)의 관찰로부터 뒷받침될 수 있다. 이러한 결과는 Ti의 Y-Sc-Si-OCN 액상으로의 복합화는 입계 파괴를 개선시키고, 파괴인성을 증가시키는 결과를 가져온다.

단일상 SiC와 SiC-TiC_0.5N_0.5 복합체의 굴곡강도와 파괴 인성은 TiN 함량에 따라 달라진다. 에러 막대(error bar)는 두 데이터에서 평균값에 대하여 표준편차를 나타낸다. 반복 횟수는 굴곡강도와 파괴 인성 값을 계산하기 위하여 각각 5, 7회로 진행하였다.

몇몇 연구자들이 산화물 첨가제에 따른 SiC-TiN 복합체의 파괴 인성에 대해 보고한 바 있다： 10　wt% Al₂O₃-Y₂O₃ 를 첨가하여 소결시킨 SiC-30 wt% TiN 복합체에서는 4.0　MPa　m^1/2; 10　wt% Y₃Al₅O₁₂를 첨가한 SiC-5　wt% TiN 나노복합체에서는7.8　MPa　m^1/2이었다.

TiN이 주요 상인 TiN-SiC 복합체에서는 더 낮은 파괴 인성 값이 보고되고 있는데, TiC와 Si₃N₄ 파우더로부터 반응 소결시켜 제조된 TiN-25.3　vol% SiC 복합체에서는 5.5-6.0　MPa　m^1/2이고, TiN-5　wt% SiC 복합체에서는 3.6　MPa　m^1/2였다.

따라서, 2　vol% Y₂O₃-Sc₂O₃를 첨가하여 소결시킨 SiC-35　vol% TiC_0.5N_0.5 복합체에서 얻어진 파괴 인성 값인 6.2　MPa　m^1/2는 SiC와 TiN으로 구성된 복합체로부터 보고된 것보다 더 높으며, SiC-5　wt% TiN 복합체에서 얻어진 값보다는 다소 낮다. 이러한 결과로부터 SiC-TiC_0.5N_0.5 복합체의 인성을 개선시키는 데 첨가제로서 Y₂O₃-Sc₂O₃ 시스템이 보다 효과적이라는 것을 알 수 있다.

TiN 함량에 따른 SiC-TiC_0.5N_0.5 복합체의 굴곡 강도를 다음 도 9에 나타내었다. 동일한 조건하에서 제조된 단일상 SiC (546　MPa)보다 STN35를 제외한 모든 복합체에서 더 높은 굴곡강도 값을 나타냈다. (STN2-588　MPa, STN10-599　MPa, STN20-575　MPa) 단일상 SiC와 SiC-TiC_0.5N_0.5 복합체의 임계 결함 크기(critical flaw sizes)는 다음 수학식 3을 이용하여 계산하였으며, 준타원형인 표면 결함으로 가정하였다.

(수학식 3)

K _IC　=　1.35σc ^1/2,

여기서 K _IC는 파괴 인성이고, σ는 강도이다.

STN0, STN2, STN10, STN20, 및 STN35의 계산된 임계 결함 크기(c)는 각각 ∼33, ∼38, ∼43, 54, 및 106　㎛였다. 상기 c값은 모든 시편에서 평균 그레인 크기(SiC의 경우 1.9∼5.3㎛, TiC_0.5N_0.5의 경우 1∼5　㎛)보다 더 큰 것을 알 수 있는데, 이는 외부 결함에서 온 파괴에 의한 것으로 볼 수 있다.

도 14∼16은 각각 STN10, STN20, 및 STN35 시편에서의 전형적인 파괴 기원을 보여주고 있으며, 이들은 대부분 모든 시편에서 표면의 기공들이다. STN10, STN20, 및 STN35 시편의 기공 크기는 각각 ∼44, ∼54, 및 ∼106　㎛이며, 상기 계산된 임계 결함 크기와 비슷한 값이다. 이는 TiN을 대량 (∼35　vol%) 으로 포함하는 SiC-TiC_0.5N_0.5 복합체의 공정이 단일상 SiC와 소량의 TiN을 포함하는 복합체에 비해 공정 결함에 더 취약함을 알 수 있으며, 이로 인해 더 큰 임계 결함 크기를 만드는 것으로 볼 수 있다.

더 낮은 강도 (477　MPa)는 다른 시편에서 보다 STN35에서 더 큰 임계 결함 크기들이 존재하는 것과 관련된다. STN2, STN10, 및 STN20 시편들에서 강도가 증가하는 것은 복합체의 밀도 및 파괴 인성을 개선시키는 데 부분적으로 기여할 수 있다. SiC-5 wt% TiN 나노복합체에서 굴곡 강도가 545　MPa로 보고되고 있다. 따라서, 본 발명에서 얻어진 굴곡 강도 값은 보고된 값과 적어도 비슷하거나 더 우수한 것이다.

다음 도 17에서와 같이, 2　vol% Y₂O₃-Sc₂O₃ 첨가제를 포함하는 SiC-TiC_0.5N_0.5 복합체의 비커스 경도(Vickers hardness)는 TiN의 함량이 0에서 35 부피%로 증가함에 따라 28.5에서 19.8 GPa로 감소하는 것을 알 수 있다. 이는 SiC에 비해 TiC_0.5N_0.5의 경도가 더 낮기 때문이다. 벌크 상태의 TiC_0.5N_0.5에 대한 경도에 대해서는 보고된 바가 없지만, TiC_0.5N_0.5의 경도는 벌크 상태의 TiN의 경도 값(13∼22　GPa)과 비슷한 것을 알 수 있다. 이는 두 물질이 비슷한 결정 구조와 동일한 금속 결합을 하고 있기 때문이다.

SiC-TiN와 TiN-SiC 복합체의 경도는 19.0∼26.7　GPa인 것으로 보고되었다. 버커스 경도 값인 19.0와 26.7　GPa은 각각 10 wt% Y₃Al₅O₁₂ 포함된 SiC-5　wt% TiN 나노복합체와, 10　wt% Al₂O₃-Y₂O₃ 포함된 SiC-5　wt% TiN 나노복합체에서 얻어진 것이다. TiN-5　wt% SiC 나노복합체에서는 버커스 경도값이 20 GPa, TiN-25.3　vol% SiC 나노복합체에서는 24.8　GPa의 경도 값을 나타냈다. 따라서, SiC-2　vol% TiC_0.5N_0.5 복합체에서 얻어진 경도 값인 25.5　GPa 는 상기 보고된 경도 값과 적어도 비슷한 것을 알 수 있다. 통상, 첨가제의 양이 적을수록 SiC에 기초한 복합체에서 높은 경도를 제공하는 것으로 알려져 있다. 따라서, 본 발명의 복합체에서 개선된 경도는 적은 양(2 부피%)의 산화물 첨가제만으로도 가능하며, 보고된 물질에 비해 더 미세한 미세 구조에 기인할 수 있다.

κ= 열전도도
α= 열확산계수
C _p = 비열(heat capacity)
ι= 포논 평균 자유 거리
V = 복합체에서 평균 음속
K _IC = 파괴인성
σ = 굴곡강도
c = 임계결함 크기

Claims (9)

1. 초기 복합체 조성에서 TiN의 함량이 전체 조성 중 10 부피%를 초과하지 않도록 첨가하여 이루어진 SiC-TiC_(1-x)N_x로서, x는 0.5인 것을 특징으로 하는 SiC-TiN 세라믹 복합체.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 TiN 함량은 전체 조성 중 0.1∼5 부피%인 것을 특징으로 하는 SiC-TiN 세라믹 복합체.
   
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 복합체는 Y₂O₃-Sc₂O₃ 첨가제를 소결 조제로 첨가하여 가압소결 시킨것을 특징으로 하는 SiC-TiN 세라믹 복합체.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 Y₂O₃-Sc₂O₃ 첨가제는 Y₂O₃와 Sc₂O₃가 1：1의 몰비로 혼합되는 것인 SiC-TiN 세라믹 복합체.
   
6. 제4항에 있어서,
   상기 Y₂O₃-Sc₂O₃ 첨가제는 0.1∼2 부피%로 첨가되는 것인 SiC-TiN 세라믹 복합체.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 SiC-TiC_0.5N_0.5 복합체의 상대 밀도는 ≥98.5% 인 것인 SiC-TiN 세라믹 복합체.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 SiC-TiN 세라믹 복합체는 SiC, TiN, 및 Y₂O₃-Sc₂O₃ 소결 조제를 혼합한 혼합물을 2000∼2100℃의 온도, 30∼40 MPa의 압력에서 3∼4 시간 동안 가압소결시켜 제조된 것인 SiC-TiN 세라믹 복합체.
   
9. 제1항에 있어서,
   상기 SiC-TiN 세라믹 복합체는 상온에서 열전도도가 190-230 W/m K 범위이고, 굴곡강도가 500-600 MPa 범위이며, 비커스 경도가 19-27 GPa범위인 것을 특징으로 하는 SiC-TiN 세라믹 복합체.
   
   

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