KR101698378B1 - Silicon carbide ceramics and method for preparing thereof - Google Patents

Silicon carbide ceramics and method for preparing thereof Download PDF

Info

Publication number
KR101698378B1
KR101698378B1 KR1020150166251A KR20150166251A KR101698378B1 KR 101698378 B1 KR101698378 B1 KR 101698378B1 KR 1020150166251 A KR1020150166251 A KR 1020150166251A KR 20150166251 A KR20150166251 A KR 20150166251A KR 101698378 B1 KR101698378 B1 KR 101698378B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
silicon carbide
sic
sintering
present
aln
Prior art date
Application number
KR1020150166251A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
김영욱
조태영
Original Assignee
서울시립대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 서울시립대학교 산학협력단 filed Critical 서울시립대학교 산학협력단
Priority to KR1020150166251A priority Critical patent/KR101698378B1/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101698378B1 publication Critical patent/KR101698378B1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/56Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides
    • C04B35/565Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides based on silicon carbide
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/50Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on rare-earth compounds
    • C04B35/505Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on rare-earth compounds based on yttrium oxide
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/58Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides
    • C04B35/581Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on aluminium nitride
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/64Burning or sintering processes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/64Burning or sintering processes
    • C04B35/645Pressure sintering

Abstract

The present invention relates to silicon carbide ceramic obtained by using AlN-Y_2O_3-Sc_2O_3 as a sintering additive in silicon carbide (SiC) and a method for preparing the same. According to the present invention, the silicon carbide ceramic that has a dense structure is prepared by the novel AlN-Y_2O_3-Sc_2O_3 sintering additive being added to silicon carbide powder. The silicon carbide ceramic prepared from the sintering additive composition according to the present invention has a high level of heat conductivity and its mechanical properties such as fracture toughness, bending strength, and Vickers hardness are better than those of existing silicon carbide ceramic. The silicon carbide ceramic obtained in the present invention is higher in relative density than existing pressure-sintered silicon carbide ceramic even in the case of liquid sintering under a zero-pressure normal pressure condition.

Description

실리콘 카바이드 세라믹 및 이의 제조방법{Silicon carbide ceramics and method for preparing thereof}Technical Field [0001] The present invention relates to a silicon carbide ceramics and a method of manufacturing the same,

본 발명은 실리콘 카바이드 세라믹 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 신규한 소결 첨가제 시스템을 이용함으로써 치밀화된 구조를 가져 밀도가 향상된 상압 액상소결시킨 실리콘 카바이드 세라믹과 이의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a silicon carbide ceramics and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a silicon carbide ceramics subjected to atmospheric pressure sintering which has a dense structure by using a novel sintering additive system and has improved density and a method for manufacturing the same.

종래 높은 열전도성을 가지는 완전히 치밀한 구조의 SiC 세라믹은 Y2O3-Sc2O3 첨가제를 이용하여 핫-프레싱(hot-pressing) 방법으로 제조하였다. 상기 SiC 세라믹의 열전도도는 실온(r.t.)에서 234 W/m.K 였다. 즉, 높은 밀도와 열전도도를 가지기 위해서는 가압-소결 공정을 필수적으로 필요하였다.Conventionally, SiC ceramics having a completely dense structure having high thermal conductivity were prepared by a hot-pressing method using a Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 additive. The thermal conductivity of the SiC ceramics was 234 W / mK at room temperature (rt). That is, in order to have a high density and thermal conductivity, a press-sintering process was essentially required.

상기 Y2O3-Sc2O3첨가제를 넣어 소결시킨 SiC 세라믹의 미세구조는 매우 독특한 구조를 가진다: (1)(Sc,Y)2Si2O7 상에서 형성된 SiC 표면 및/또는 격자에서 산소 함량에서의 산화환원, (2) SiC 격자에서 Y와 Sc의 용해도 부재, 및 (3)깨끗한 또는 결정화된 SiC-SiC 계면 형성. The microstructure of the SiC ceramic sintered with the Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 additive has a very unique structure: (1) the SiC surface formed on (Sc, Y) 2 Si 2 O 7 and / (2) the absence of solubility of Y and Sc in the SiC lattice, and (3) the formation of a clean or crystallized SiC-SiC interface.

한편, 열전도성 SiC 세라믹을 얻기 위하여, Y2O3-Sc2O3 첨가제를 이용하여 SiC 세라믹을 압력을 가하지 않은 상태(상압)-소결로 제조한 경우가 있었다. 그러나, Y2O3-Sc2O3 첨가제를 이용하여 압력을 가하지 않은 상태의 상압-소결로 제조된 SiC 세라믹의 상대 밀도는 88%였다. On the other hand, in order to obtain thermally conductive SiC ceramics, the SiC ceramics were produced in a state in which the Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 additive was not applied (atmospheric pressure) -sintering. However, the relative density of the SiC ceramics produced by the pressureless sintering under the unpressurized condition using the Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 additive was 88%.

통상 세라믹 재료들의 상대 밀도는 95% 이상을 가져야 하는 것으로 알려져 있으며, 상기 값보다 낮을 경우에는 세라믹 재료들이 갑작스런 파괴가 일어날 수 있기 때문에 높은 밀도가 요구된다.It is generally known that the relative density of ceramic materials should be at least 95%, and below this value high density is required because ceramic materials may experience sudden failure.

한편, 열전도성 SiC 세라믹 제조시, 첨가제를 넣고 압력을 가한 상태(가압)-소결을 진행하면 높은 상대 밀도를 가지는 열전도성 SiC 세라믹을 제조할 수 있다.On the other hand, in the production of thermally conductive SiC ceramics, a thermally conductive SiC ceramic having a high relative density can be produced by carrying out the (pressurization) sintering with the addition of additives and pressure.

그러나, 상기 가압-소결의 경우 압력을 가하기 위한 일정한 공간과 고온 가압장비 등 시스템이 추가되어야 하므로 비용이 많이 들고, 세라믹의 상하 가압으로 인해 다양한 형태나 복잡한 형태를 가지는 세라믹 제조가 불가능한 단점이 있다. 따라서, 압력을 가하지 않은 상압 상태에서 소결을 진행하면서, 높은 상대 밀도를 가지는 열전도성 SiC 세라믹을 제조할 수 있는 재료 조성 및 방법이 필요한 실정이다. However, in the case of the above-mentioned pressure-sintering, there is a disadvantage that it is impossible to manufacture ceramics having various shapes and complicated shapes due to the high pressure of the ceramic due to the necessity of adding a certain space for applying pressure and a system such as high- Therefore, there is a need for a material composition and a method capable of producing a thermally conductive SiC ceramic having a high relative density while sintering under normal pressure without applying pressure.

한편, SiC 세라믹에서 높은 열전도성을 가지기 위해서는 다음과 같은 이유들 때문에 Al의 첨가를 가능한 피해야 한다:On the other hand, to have a high thermal conductivity in SiC ceramics, the addition of Al should be avoided as much as possible for the following reasons:

(1)SiC 격자에서 Al은 용해도를 가지기 때문에 Si 공공(vacancy)를 형성시키고, 이는 포논 산란을 증가시킨다 (1) In the SiC lattice, since Al has solubility, Si vacancies are formed, which increases phonon scattering

Al2O3 → 2AlSi + 3OC + VSi Al 2 O 3 ? 2Al Si + 3O C + V Si

(2) SiC의 β→α로의 상전이는 Al에 의해 가속화된다. 이러한 상전이 동안, α-phase는 출발물질인 β-phase에 존재하는 적층 결함에서 핵으로 작용하여, 부분적인 전위(dislocations)의 glide에 의해 성장한다. 따라서, α-SiC에는 큰 적층 결함들이 밀집되어 있게 되며, 이는 포논 산란을 증가시킨다.(2) The phase transition of SiC from β to α is accelerated by Al. During this phase transition, the α-phase acts as nuclei in lamination defects present in the starting material, β-phase, and is grown by glides of partial dislocations. Therefore, α-SiC has a large stacking defect density, which increases phonon scattering.

Y.-W. Kim, K.-Y. Lim, and W.-S. Seo, "Microstructure and Thermal Conductivity of Silicon Carbide with Yttria and Scandia", J. Am. Ceram. Soc.97 [3] 923-928 (2014)  Y.-W. Kim, K.-Y. Lim, and W.-S. Seo, "Microstructure and Thermal Conductivity of Silicon Carbide with Yttria and Scandia ", J. Am. Ceram. Soc. 97 [3] 923-928 (2014)

본 발명에서는 종래 압력을 가하지 않은 상태로 Y2O3-Sc2O3 첨가제를 첨가하여 상압-액상소결된 SiC 세라믹의 밀도를 치밀화시켜 높은 밀도를 가질 수 있는 SiC 세라믹을 제조하기 위하여 연구하였다.In the present invention, in order to produce SiC ceramics having a high density by densifying the density of an atmospheric pressure-sintered SiC ceramic by adding Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 additive without pressure,

따라서, 본 발명의 목적은 상압-액상소결이 가능하며, 높은 상대 밀도를 가지는 열전도성 SiC 세라믹을 제공하는 데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a thermally conductive SiC ceramic capable of atmospheric-pressure sintering and having a high relative density.

또한, 본 발명의 다른 목적은 압력을 가하지 않은 상태에서 SiC 세라믹의 소결성(sinterability)을 신규한 첨가제 시스템 (AlN-Y2O3-Sc2O3)을 이용하여 그 효과를 조사하였다. 이를 위해, SiC 분말을 출발물질로 하여, 압력을 가하지 않고 상압에서 액상-소결시킨 SiC 세라믹의 제조방법을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to investigate the sinterability of SiC ceramics in a pressureless state by using a novel additive system (AlN-Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 ). For this purpose, it is an object of the present invention to provide a method for producing SiC ceramics in which SiC powder is used as a starting material and liquid-sintered at normal pressure without applying pressure.

본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 카바이드 세라믹은 실리콘 카바이드(SiC) 분말에 AlN-Y2O3-Sc2O3를 소결 첨가제로 첨가하여 제조되는 것을 그 특징으로 한다. A silicon carbide ceramic according to an embodiment of the present invention is characterized in that it is produced by adding AlN-Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 to a silicon carbide (SiC) powder as a sintering additive.

상기 실리콘 카바이드(SiC) 분말은 α-SiC 및 β-SiC인 것이 바람직하다.The silicon carbide (SiC) powder is preferably? -SiC and? -SiC.

상기 실리콘 카바이드 세라믹은 α-SiC 및 β-SiC 실리콘 카바이드 분말 90~96vol%, AlN 0.5~3.0 vol%, 및 Y2O3-Sc2O3 1~10vol%로 구성되는 것일 수 있다.The silicon carbide ceramics may be composed of 90 to 96 vol% of α-SiC and β-SiC silicon carbide powder, 0.5 to 3.0 vol% of AlN, and 1 to 10 vol% of Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 .

상기 Y2O3-Sc2O3 는 몰비로 1:3 내지 3:1 범위의 비율로 혼합되는 것이 바람직하다. The Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 is preferably mixed in a molar ratio of 1: 3 to 3: 1.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 α-SiC를 이용하여 소결시킨 실리콘 카바이드 세라믹은 주요 상(major phase)인 6H, 및 마이너 상(minor phases)인 4H로 구성되는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the silicon carbide ceramics sintered using the? -SiC may be composed of 6H, which is a major phase, and 4H, which is a minor phase.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 β-SiC를 이용하여 소결시킨 실리콘 카바이드 세라믹은 주요 상(major phase)인 4H, 및 마이너 상(minor phases)인 6H와 3C로 구성되는 것일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the silicon carbide ceramics sintered using the? -SiC may be composed of 4H, which is a major phase, and 6H and 3C, which are minor phases.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 실리콘 카바이드 세라믹의 상대 밀도는 96% 이상인 것을 특징으로 한다.According to an embodiment of the present invention, the relative density of the silicon carbide ceramics is 96% or more.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 실리콘 카바이드 세라믹의 열전도도는 90 W/m·K 이상인 것을 특징으로 한다.According to an embodiment of the present invention, the thermal conductivity of the silicon carbide ceramics is 90 W / m · K or more.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 실리콘 카바이드 세라믹은 코어-림(core-rim) 구조를 가지는 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the silicon carbide ceramics may have a core-rim structure.

또한, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 실리콘 카바이드 세라믹의 제조방법은 실리콘 카바이드, AlN-Y2O3-Sc2O3 소결 첨가제를 용매 하에 혼합시키는 단계, 상기 혼합된 슬러리를 건조시켜 프레싱하는 단계, 상기 프레싱된 재료를 냉간 등방 가압성형(CIP, cold isotactic pressing)시키는 단계, 및 상기 CIP시킨 재료를 상압 액상소결시키는 단계를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing a silicon carbide ceramic comprising mixing silicon carbide, AlN-Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 sintering additive under a solvent, drying and pressing the mixed slurry , Cold isotactic pressing (CIP) the pressed material, and subjecting the CIP material to atmospheric pressure liquid phase sintering.

상기 AlN-Y2O3-Sc2O3 소결 첨가제는 상기 실리콘 카바이드(SiC)의 SiO2 층과 반응하여 Al-Y-Sc-Si-ON 계 액상을 형성시키고, 상기 Al-Y-Sc-Si-ON 계 액상은 소결 공정 동안에 SiC의 용해에 의해 Al-Y-Sc-Si-OCN 계 액상을 형성하며, 상기 Al-Y-Sc-Si-OCN계 액상은 액상 소결에 의해 SiC의 치밀화를 촉진시키는 데 특징이 있다.The AlN-Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 sintering additive reacts with the SiO 2 layer of the silicon carbide (SiC) to form an Al-Y-Sc-Si-ON liquid phase, The Si-ON-based liquid phase forms an Al-Y-Sc-Si-OCN liquid phase by dissolving SiC during the sintering process. The liquid phase of the Al-Y- It is characterized by facilitating.

상기 액상 소결은 압력을 가하지 않은 상압(normal pressure, 1기압) 조건에서 수행되는 것이 바람직하다. The liquid-phase sintering is preferably performed under a normal pressure (1 atm) condition without pressure.

본 발명에 따르면, 실리콘 카바이드 파우더에 신규한 AlN-Y2O3-Sc2O3 소결 첨가제를 첨가하여 치밀화된 구조의 실리콘 카바이드 세라믹을 제조하였다.According to the present invention, a novel silicon carbide ceramic having a densified structure is prepared by adding a novel AlN-Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 additive to silicon carbide powder.

따라서, 본 발명에 따른 소결 첨가제 조성으로부터 제조된 실리콘 카바이드 세라믹은 우수한 열전도도를 가지며, 파괴 인성, 굴곡 강도, 비커스 경도 등의 기계적 물성이 종래 실리콘 카바이드 세라믹에 비해 개선된 값을 가졌다.Therefore, the silicon carbide ceramics produced from the sintering additive composition according to the present invention have excellent thermal conductivity, and mechanical properties such as fracture toughness, flexural strength, Vickers hardness, and the like have improved values compared to conventional silicon carbide ceramics.

또한, 본 발명에서는 압력을 가하지 않은 상압(normal pressure) 조건에서, 액상 소결시켰음에도 종래 가압-소결시킨 실리콘 카바이드 세라믹보다 높은 상대 밀도를 가지는 실리콘 카바이드 세라믹을 얻을 수 있었다.In addition, in the present invention, a silicon carbide ceramic having a higher relative density than silicon carbide ceramics which have been conventionally pressure-sintered can be obtained even under liquid pressure sintering under normal pressure conditions without applying pressure.

도 1은 실시예 1~2에 따라 제조된 SiC 세라믹(SCA, SCB)의 상 분석 결과이고,
도 2과 3은 각각 실시예 1~2에 따라 제조된 SiC 세라믹(SCA, SCB)의 미세구조를 주사전자현미경으로 관찰한 사진이며,
도 4는 본 발명과 종래 기술들의 상압 액상소결된 SiC 세라믹의 열전도도를 측정한 결과이고,
도 5는 실시예 1~2에 따라 제조된 SiC 세라믹(SCA, SCB)의 열전도도, 포논 평균 자유 거리 (phonon mean free path) 및 SiC 격자 내의 산소함량을 측정한 결과이다.
Fig. 1 shows the results of phase analysis of SiC ceramics (SCA, SCB) prepared according to Examples 1 and 2,
2 and 3 are photographs of the microstructure of SiC ceramics (SCA, SCB) prepared according to Examples 1 and 2, respectively, by scanning electron microscopy,
FIG. 4 shows the results of measurement of thermal conductivity of atmospheric-pressure sintered SiC ceramics of the present invention and prior art,
FIG. 5 shows the results of measurement of thermal conductivity, phonon mean free path, and oxygen content in a SiC lattice of SiC ceramics (SCA, SCB) prepared according to Examples 1 and 2.

이하에서 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

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. The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. As used herein, the singular forms "a," "an," and "the" include singular forms unless the context clearly dictates otherwise. Also, " comprise "and / or" comprising "when used herein should be interpreted as specifying the presence of stated shapes, numbers, steps, operations, elements, elements, and / And does not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, operations, elements, elements, and / or groups.

본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 카바이드 세라믹은 실리콘 카바이드(SiC) 입자를 이용하고, 여기에 AlN-Y2O3-Sc2O3를 소결 첨가제를 첨가하여 제조된 것을 그 특징으로 한다. The silicon carbide ceramics according to an embodiment of the present invention is characterized in that silicon carbide (SiC) particles are used and AlN-Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 is added by adding a sintering additive.

상기 실리콘 카바이드는 α-SiC 및 β-SiC 인 것이 바람직하다.The silicon carbide is preferably? -SiC and? -SiC.

상기 실리콘 카바이드 세라믹은 실리콘 카바이드 90~96vol%, AlN 0.5~3.0vol%, 및 Y2O3-Sc2O3 1~10vol%로 구성되는 것이 바람직하다. The silicon carbide ceramics preferably comprises 90 to 96 vol% of silicon carbide, 0.5 to 3.0 vol% of AlN, and 1 to 10 vol% of Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 .

상기 실리콘 카바이드의 함량이 90vol% 미만인 경우 열전도도가 매우 낮은 액상이 과량 형성되어 상압 액상소결된 탄화규소의 열전도도가 90 W/m·K 미만으로 낮아지는 단점이 있고, 또한, 96vol%를 초과하는 경우 액상이 부족하여 소결 밀도가 96% 미만으로 낮아지는 문제가 있어서 바람직하지 못하다.When the content of the silicon carbide is less than 90 vol%, a liquid phase having a very low thermal conductivity is excessively formed, and the thermal conductivity of the silicon carbide subjected to atmospheric pressure sintering is lowered to less than 90 W / mK, and more than 96 vol% There is a problem that the liquid phase is insufficient and the sintered density is lowered to less than 96%, which is not preferable.

또한, 상기 AlN는 전체 조성 중 0.5~3.0vol%로 포함되는 것이 바람직하며, AlN 함량이 0.5 vol% 미만인 경우 액상의 점도가 너무 높아져서 소결 밀도가 96% 미만으로 낮아지는 문제가 있고, AlN 함량이 3.0vol%를 초과하여 첨가되면 포논 산란을 일으키는 Si 공공(vacancy)이 많이 형성되어 열전도도가 90 W/m·K 미만으로 낮아지므로 바람직하지 못하다.If the AlN content is less than 0.5 vol%, the viscosity of the liquid phase becomes too high, and the sintered density is lowered to less than 96%. When the AlN content is less than 0.5 vol% If it is added in an amount exceeding 3.0 vol%, Si vacancies which cause phonon scattering are formed in a large amount, and the thermal conductivity is lowered to less than 90 W / m · K, which is not preferable.

또한, 본 발명의 상기 Y2O3-Sc2O3 는 몰비로 1:3 내지 3:1 범위의 비율로 혼합되는 것이 바람직하고, 혼합한 후 전체 조성 중 함량은 1~10vol%로 포함되는 것이 96% 이상의 소결 밀도와 90 W/m·K 이상의 열전도도를 동시에 달성하는데 바람직하다. Y2O3-Sc2O3 의 몰비가 1:3 내지 3:1 범위를 벗어나면 소결밀도가 96% 미만으로 낮아지는 단점이 있고, Y2O3-Sc2O3 함량이 1vol% 미만으로 참가되면 소결밀도가 96% 미만으로 낮아지고, 10 vol%를 초과하여 첨가되면 열전도도가 90 W/m·K 미만으로 낮아져서 바람직하지 않다.The Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 of the present invention is preferably mixed in a molar ratio in the range of 1: 3 to 3: 1, more preferably 1 to 10 vol% Is preferable for achieving a sintered density of 96% or more and a thermal conductivity of 90 W / m · K or more at the same time. If the molar ratio of Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 is out of the range of 1: 3 to 3: 1, the sintered density is lowered to less than 96%. If the content of Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 is less than 1 vol% , The sintered density is lowered to less than 96%, and when it is added in an amount exceeding 10 vol%, the thermal conductivity is lowered to less than 90 W / m · K, which is not preferable.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 α-SiC를 이용하여 소결시킨 실리콘 카바이드 세라믹은 주요 상(major phase)인 6H, 및 마이너 상(minor phases)인 4H로 구성되는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the silicon carbide ceramics sintered using the? -SiC may be composed of 6H, which is a major phase, and 4H, which is a minor phase.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 β-SiC를 이용하여 소결시킨 실리콘 카바이드 세라믹은 주요 상(major phase)인 4H, 및 마이너 상(minor phases)인 6H와 3C로 구성되는 것일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the silicon carbide ceramics sintered using the? -SiC may be composed of 4H, which is a major phase, and 6H and 3C, which are minor phases.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 실리콘 카바이드 세라믹의 상대 밀도는 96% 이상인 것을 특징으로 한다.According to an embodiment of the present invention, the relative density of the silicon carbide ceramics is 96% or more.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 실리콘 카바이드 세라믹의 열전도도는 90 W/m? 이상인 것을 특징으로 한다.According to an embodiment of the present invention, the thermal conductivity of the silicon carbide ceramic is 90 W / m? Or more.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 실리콘 카바이드 세라믹은 코어-림(core-rim) 구조를 가지는 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the silicon carbide ceramics may have a core-rim structure.

또한, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 실리콘 카바이드 세라믹의 제조방법은 실리콘 카바이드, AlN-Y2O3-Sc2O3 소결 첨가제를 용매 하에 혼합시키는 단계, 상기 혼합된 슬러리를 건조시켜 프레싱하는 단계, 상기 프레싱된 재료를 냉간 등방 가압 성형(CIP, cold isotactic pressing)시키는 단계, 및 상기 CIP시킨 재료를 상압에서 액상 소결시키는 단계를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing a silicon carbide ceramic comprising mixing silicon carbide, AlN-Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 sintering additive under a solvent, drying and pressing the mixed slurry , Cold isotactic pressing (CIP) the pressed material, and liquid-sintering the CIP material at normal pressure.

본 발명에서는 먼저, 실리콘 카바이드 세라믹 제조에 포함되는 각 성분들을 SiC 볼과 폴리프로필렌 jar을 이용하여 용매 하에서 혼합시켜 슬러리 상태로 만든다.In the present invention, each component included in the production of a silicon carbide ceramic is mixed with a SiC ball and a polypropylene jar in a solvent to form a slurry state.

그 다음, 상기 슬러리를 건조시키고, 체에 걸른 다음, 프레싱 과정을 거친다. 상기 프레싱 과정은 어떤 형상을 만들기 위해 수행되는 성형 과정이다. The slurry is then dried and sieved, and then subjected to a pressing process. The pressing process is a molding process performed to make a certain shape.

또한, 상기 프레스시킨 재료는 냉간 등방 가압 성형 과정을 거쳐 밀도가 향상되도록 한다. Further, the pressed material is subjected to a cold isotropic pressing process to improve the density.

마지막으로, 상기 냉간 등방 가압 성형시킨 재료를 액상 소결시키면 실리콘 카바이드 세라믹을 얻을 수 있다. Finally, silicon carbide ceramics can be obtained by subjecting the material obtained by cold isostatic pressing to liquid phase sintering.

본 발명에서는 압력을 가하지 않은 상압(normal pressure, 1기압) 조건에서 소결시키더라도 우수한 밀도를 가지는 실리콘 카바이드 세라믹 제조가 가능하다.In the present invention, it is possible to manufacture silicon carbide ceramics having excellent density even when sintering is performed under a condition of normal pressure (1 atm) without applying pressure.

이는 본 발명에 따른 신규한 소결 첨가제 조성을 이용함으로써 달성될 수 있는 효과로서, 이는 다음과 같이 설명될 수 있다. This is an effect that can be achieved by using the novel sintering additive composition according to the present invention, which can be explained as follows.

본 발명에서는 상기 AlN-Y2O3-Sc2O3 소결 첨가제를 사용하는 경우, 본 발명에 따른 AlN-Y2O3-Sc2O3 소결 첨가제는 압력없이-소결시키는 과정 동안, 실리콘 카바이드(SiC)의 표면 SiO2 층과 반응하여 Al-Y-Sc-Si-ON계 액상을 형성시키고, 상기 Al-Y-Sc-Si-ON계 액상에 소결 공정 동안에 SiC가 용해됨으로서 Al-Y-Sc-Si-OCN 계 액상을 형성시킨다.In the present invention, the AlN-Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 When using a sintering additive, AlN-Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 sintering additive according to the invention is pressureless-sintering process for a silicon carbide (SiC) surface to form a SiO 2 layer and a reaction by Al-Y-Sc-Si- oN -based liquid, SiC is dissolved during the Al-Y-Sc-Si- oN system of the sintering process the liquid phase by being Al-Y- Thereby forming a Sc-Si-OCN-based liquid phase.

Al과 N(질소)는 SiC 격자 내에서 약간의 용해도를 가지기 때문에, Si, C, Al, 및 N은 큰 SiC 입자들에서 동시-석출되어 Al-N-복합도핑된(codoped) SiC 입자를 형성하게 된다. Since Al and N (nitrogen) have a slight solubility in the SiC lattice, Si, C, Al, and N co-precipitate in large SiC particles to form Al-N composite doped SiC particles .

따라서, 상기 Al-Y-Sc-Si-OCN 계 액상은 액상 소결에 의해 SiC의 치밀화를 촉진시키게 되고, SiC 입자의 rim 영역에서 N-도핑을 선도한다. 또한, 냉각과정을 거치면 결정성 Y2O3 및 Sc2O3 상을 정션부(junction)에 침전시킨다. Thus, the Al-Y-Sc-Si-OCN-based liquid phase promotes densification of SiC by liquid phase sintering and leads to N-doping in the rim region of SiC grains. In addition, the crystalline Y 2 O 3 and Sc 2 O 3 phases are precipitated at the junction when subjected to a cooling process.

따라서, 본 발명의 소결 첨가제 조성으로부터 제조된 실리콘 카바이드 세라믹은 우수한 열전도도를 가지며, 파괴 인성, 굴곡 강도, 비커스 경도 등의 기계적 물성이 종래 실리콘 카바이드 세라믹에 비해 개선된 값을 가진다.Therefore, the silicon carbide ceramics produced from the sintering additive composition of the present invention have excellent thermal conductivity and mechanical properties such as fracture toughness, flexural strength, Vickers hardness and the like are improved as compared with the conventional silicon carbide ceramics.

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.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail. The following examples are intended to illustrate the present invention, but the scope of the present invention should not be construed as being limited by these examples. In the following examples, specific compounds are exemplified. However, it is apparent to those skilled in the art that equivalents of these compounds can be used in similar amounts.

실시예 1Example 1

α-SiC(~0.5㎛, BF-17, H.C. Starck, Berlin, Germany), 질화말루미늄(AlN, Grade P, Tokuyama Soda, Tokyo, Japan), Y2O3(99.99%, Kojundo Chemical Lab Co., Ltd., Sakado-shi, Japan), Sc2O3(99.99%, Kojundo Chemical Lab Co., Ltd., Sakado-shi, Japan)를 출발 물질로 사용하였다. (AlN, Grade P, Tokuyama Soda, Tokyo, Japan) , Y 2 O 3 (99.99%, manufactured by Kojundo Chemical Lab Co., Ltd.). , Ltd., Sakado-shi, Japan), Sc 2 O 3 (99.99%, Kojundo Chemical Lab Co., Ltd., Sakado-shi, Japan).

93.5vol% α-SiC, AlN(1.5vol%), 및 50:50의 비율로 혼합시킨 Y2O3-Sc2O3 5vol%의 각 파우더를 혼합시킨 혼합물을 SiC 볼과 폴리프로필렌 jar을 이용하여 에탄올에서 24시간 동안 혼합시켰다. 밀링된 슬러리를 건조시키고, 체에 거른 다음, 20 MPa의 압력으로 프레싱 과정을 거쳤다. 그 다음, 270 MPa의 압력으로 CIP, 1950℃에서 질소분위기를 사용하여 6시간 동안 소결시켜 SiC 세라믹(이하, "SCA" 라 함)을 제조하였다. 93.5 vol% of alpha-SiC, AlN (1.5 vol%), and Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 5vol% of each powder was mixed with SiC ball and polypropylene jar in ethanol for 24 hours. The milled slurry was dried, sieved and subjected to a pressing process at a pressure of 20 MPa. Then, SiC ceramics (hereinafter referred to as "SCA") was produced by sintering at a pressure of 270 MPa and a nitrogen atmosphere at 1950 ° C for 6 hours.

실시예 2Example 2

α-SiC 대신에 β-SiC(~0.5㎛, BF-17, H.C. Starck, Berlin, Germany)을 사용하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 과정으로 SiC 세라믹(이하, "SCB" 라 함)을 제조하였다. SiC ceramics (hereinafter referred to as "SCB") was produced in the same manner as in Example 1, except that β-SiC (~0.5 μm, BF-17, HC Starck, Berlin, ).

실험예 1 : 상대 밀도 측정(Relative density)Experimental Example 1: Relative density measurement

상기 실시예 1~2에 따라 제조된 SiC 세라믹의 부피와 무게를 측정하여 밀도를 구하였고 SCA의 이론밀도로 3.337 g/cm3을 사용하였고, SCB의 이론밀도로 3.335 g/cm3을 사용하여 상대밀도를 구하였다. The bulk density and the weight of the SiC ceramics prepared according to Examples 1 and 2 were measured and the density was calculated. The theoretical density of SCA was 3.337 g / cm 3 and the theoretical density of SCB was 3.335 g / cm 3 Relative density.

실시예 1에 따른 SCA의 상대밀도는 98.6%이고, 실시예 2에 따른 SCB의 상대밀도는 96.7%였다.The relative density of SCA according to Example 1 was 98.6%, and the relative density of SCB according to Example 2 was 96.7%.

본 발명에 따른 첨가제 조성(AlN-Y2O3-Sc2O3)으로 제조된 실리콘 카바이드 세라믹은 종래 첨가제 조성(Y2O3-Sc2O3)의 상대 밀도인 88%에 비해 월등히 향상된 것을 확인하였다. 즉, 본 발명에서는 AlN을 추가 소결 첨가제로 사용함으로써 제조된 실리콘 카바이드 세라믹의 구조를 보다 치밀화시킬 수 있음을 알 수 있다.Silicon carbide ceramics made from the additive composition (AlN-Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 ) according to the present invention are significantly improved compared to the relative density of 88% of the conventional additive composition (Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 ) Respectively. That is, it can be seen that the structure of the silicon carbide ceramics produced by using AlN as an additive for sintering can be made more denser in the present invention.

실험예 2 : 상 분석(Phase Analysis)Experimental Example 2: Phase Analysis

각 폴리타입의 SiC 파우더를 출발물질과 소결된 SiC 세라믹의 상 분석을 Rietveld Method를 이용하였으며, 그 결과를 다음 표 1에 나타내었다. The Rietveld Method was used to analyze the phases of the starting material and sintered SiC ceramics of each polytype of SiC powder, and the results are shown in the following Table 1.

Quantitative phase analysis(Rietveld Method)Quantitative phase analysis (Rietveld Method) 샘플Sample SiC phase(wt%)SiC phase (wt%) 3C3C 6H6H 4H4H α-SiC(출발 파우더)α-SiC (starting powder) -- 90.590.5 9.59.5 SCASCA -- 80.880.8 19.219.2 β-SiC(출발 파우더)β-SiC (starting powder) 86.686.6 13.413.4 -- SCBSCB 25.825.8 26.926.9 47.347.3

상기 표 1를 참조하면, β-SiC를 이용하여 소결시킨 SCB 시편은 주요 상(major phase)인 4H와, 6H와 3C가 minor phases으로 구성되어 있음을 알 수 있다. 반대로, α-SiC를 이용하여 소결시킨 SCA는 6H 가 주요 상(major phase)이고, 4H가 minor phases으로 구성되어 있음을 알 수 있다. Referring to Table 1, it can be seen that the SCB sintered using β-SiC has major phases of 4H and minor phases of 6H and 3C. Conversely, SCA sintered with α-SiC shows that 6H is the major phase and 4H is the minor phase.

α-SiC와 β-SiC 파우더로부터 제조된 SiC 세라믹들의 경우, SCA에 있어서는 6H→4H 로의 상전이가, SCB에서는 3C→6H, 4H로의 상전이가 일어났음을 알 수 있다. In the case of SiC ceramics prepared from α-SiC and β-SiC powder, phase transition from 6H to 4H in SCA and phase transformation from 3C to 6H and 4H occurred in SCB.

실험예 3 : 미세 구조(Microstructure)Experimental Example 3: Microstructure

상기 제조된 SiC 세라믹의 미세구조를 주사전자현미경으로 관찰하였으며, 그 결과를 다음 도 2(SCA)와 3(SCB)에 나타내었다. The microstructure of the SiC ceramics was observed with a scanning electron microscope. The results are shown in FIG. 2 (SCA) and 3 (SCB).

다음 도 2와 3를 참조하면, AlN-Y2O3-Sc2O3를 동시 첨가하는 경우 1950℃에서 압력없이 소결시키는 동안 SiC의 β→α로의 상 변태를 효과적으로 억제시키지 못하였다. SiC 입자들은 두 시편 모두에서 core-rim 구조가 명확하게 관찰되고 있으며, 이는 소결 과정 동안 용해-재석출 메커니즘에 의해 입자의 성장이 일어났음을 나타낸다. Referring to FIGS. 2 and 3, when AlN-Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 is added simultaneously, SiC can not effectively inhibit the phase transformation from β to α during sintering without pressure at 1950 ° C. The SiC particles clearly show the core-rim structure in both specimens, indicating that the grain growth has occurred due to the dissolution-re-precipitation mechanism during the sintering process.

다음 도 2를 참조하면, SCA 시편은 등방성(equiaxed) SiC 입자로 구성되는 반면, 도 3을 참조하면, SCB 시편은 가늘고 긴(elongated) 입자들과 등방성 입자들로 구성되어 있음을 알 수 있다. Referring now to FIG. 2, the SCA specimen is composed of equiaxed SiC particles, whereas, referring to FIG. 3, the SCB specimen is composed of elongated particles and isotropic particles.

실험예 4 : 열 전도도(Thermal Conductivity)Experimental Example 4: Thermal Conductivity [

열전도도(K)는 다음 식 1에 의해 계산하였다:The thermal conductivity (K) was calculated by the following equation 1:

(식 1) (Equation 1)

χ=αρCpχ = αρCp

여기서, α는 열확산도이고, ρ는 샘플의 밀도이고, Cp는 샘플의 비열이다. Where? Is the thermal diffusivity,? Is the density of the sample, and Cp is the specific heat of the sample.

다음 도 4는 본 발명과 종래 기술들의 액상 소결된 SiC 세라믹의 열 전도도를 측정한 결과이다.Next, FIG. 4 is a result of measuring the thermal conductivity of liquid phase sintered SiC ceramics of the present invention and prior art.

이를 참조하면, AlN-Y2O3-Sc2O3 첨가제로 소결시킨 SiC 세라믹은 압력없이 액상 소결된 종래 SiC 세라믹들 중에서도 가장 높은 열 전도도 값(110 W/m·K)을 나타냈는데, 이는 상기 AlN-Y2O3-Sc2O3 첨가제가 SiC 격자에서 산소를 효과적으로 픽업시켰기 때문이다.As a result, SiC ceramics sintered with AlN-Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 additive showed the highest thermal conductivity value (110 W / m · K) among conventional SiC ceramics without liquid pressure sintering. The AlN-Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 This is because the additive effectively picked up oxygen in the SiC lattice.

다음 도 5를 참조하면, SiC 세라믹의 열 전도도는 SCA의 경우 91.9 W/m·K이고, SCB의 경우 110.3 W/m·K 임을 알 수 있다. Referring to FIG. 5, it can be seen that the thermal conductivity of the SiC ceramics is 91.9 W / m · K for SCA and 110.3 W / m · K for SCB.

비록 SCB에서 3C→6H, 4H 로의 대량의 상전이가 발생됐다 하더라도, 상기 SCB의 열 전도도는 SCA보다 높은 것을 알 수 있다. 이러한 상전이는 통상 SiC 격자 내에 적층 결함을 발생시켜 포논 산란을 일으키는데, 본 발명의 결과는 적층결함과 함께 입계 (grain boundary)가 포논 산란을 일으킨다는 것을 보여준다. Although the large phase transition from 3C to 6H and 4H occurs in SCB, it can be seen that the thermal conductivity of the SCB is higher than that of SCA. This phase transition usually causes lamination defects in the SiC lattice causing phonon scattering. The results of the present invention show that the grain boundary causes phonon scattering along with lamination defects.

즉, 도 2 및 도 3의 미세조직을 비교하면 도 2의 SCA 의 입자 크기가 SCB의 입자크기 보다 작은 것을 알 수 있고, 이는 SCA가 단위 부피에 더 많은 면적의 입계를 포함한다는 것을 의미하며, 따라서 입계에서 포논 산란이 더 많이 일어나서 SCA의 열전도도가 SCB의 열전도도도 보다 낮은 것을 확인할 수 있다. That is, comparing the microstructure of FIGS. 2 and 3, it can be seen that the particle size of the SCA of FIG. 2 is smaller than the particle size of the SCB, which means that the SCA contains a larger area of grain boundaries per unit volume, Therefore, the phonon scattering occurs more in the grain boundaries, and the thermal conductivity of SCA is lower than that of SCB.

또한, SCB의 격자 산소 함량은 0.25wt%로서 SCA의 0.27wt%에 비해 더 작은 것을 알 수 있는데, 이는 SCA에서 더 많은 포논-Si 공공 산란(vacancy scattering)이 있었음을 나타낸다. It can also be seen that the lattice oxygen content of the SCB is 0.25 wt.%, Which is smaller than that of SCA of 0.27 wt.%, Indicating that there is more phonon-Si vacancy scattering in the SCA.

포논 평균 자유 거리(t)는 다음 식 2에 의해 계산하였다:The phonon average free distance (t) was calculated by the following equation 2:

(식 2)(Equation 2)

t=3K/VρCpt = 3K / VρCp

여기서, K 는 열전도도, V는 평균 음속(average sound velocity), ρ는 샘플의 밀도이고, Cp는 샘플의 비열이다. Where K is the thermal conductivity, V is the average sound velocity, p is the density of the sample, and Cp is the specific heat of the sample.

SCA와 SCB의 포논 평균 자유 거리(Phonon mean free paths)는 실온(r.t.)에서 각각 11 nm과 12.7 nm였다. Phonon mean free paths of SCA and SCB were 11 nm and 12.7 nm at room temperature (r.t.), respectively.

SCB의 열전도도는 110W/m·K로서, SCA의 92W/m·K보다 더 크게 나타나는데, SCB의 더 높은 열 전도도는 SCB의 입자크기가 SCA보다 더 크고, 격자의 산소 함량이 SCA의 0.27wt%에 비해 SCB는 0.25wt%로 더 낮은 값을 가지는 것을 알 수 있고, 이는 SCB에서 포논-입계 산란 및 포논-Si 공공 산란을 감소시켜서, 포논 평균 자유 거리 가 SCA보다 더 커진 것을 알 수 있고, 따라서 더 높은 열전도를 나타내었다. The thermal conductivity of the SCB is 110 W / m · K, which is larger than that of SCA of 92 W / m · K. The higher thermal conductivity of the SCB means that the particle size of the SCB is larger than that of SCA and the oxygen content of the SCB is 0.27 wt %, SCB has a lower value of 0.25 wt%, which means that phonon-interfacial scattering and phonon-Si pervaporation are reduced in SCB, so that phonon mean free distance is larger than SCA, Therefore, higher thermal conductivity was shown.

실험예 5 : 기계적 특성(Mechanical Property)-1Experimental Example 5: Mechanical Property -1

상기 제조된 SiC 세라믹의 기계적 특성을 측정하였으며, 그 결과를 다음 표 2에 나타내었다.The mechanical properties of the SiC ceramics were measured and the results are shown in Table 2 below.

SiC
출발 분말
SiC
Starting powder
소결첨가제Sintering additive 굴곡강도
(MPa)
Flexural strength
(MPa)
파괴인성
(MPa·m1/2)
Fracture toughness
(MPa.m1 / 2 )
참조문헌References
βbeta AlN-Sc2O3-Y2O3 AlN-Sc 2 O 3 -Y 2 O 3 520520 5.15.1 본 발명Invention αalpha AlN-Sc2O3-Y2O3 AlN-Sc 2 O 3 -Y 2 O 3 509509 4.14.1 본 발명Invention β,α
(종자입자)
β, α
(Seed particle)
Al2O3 -Y2O3 Al 2 O 3 - Y 2 O 3 -- 88 N. Padture, J. Am. Ceram. Soc., 77, 519-23 (1994)N. Padture, J. Am. Ceram. Soc., 77 , 519-23 (1994)
β,α
(종자입자)
β, α
(Seed particle)
Al2O3-AlN-Y2O3 Al 2 O 3 -AlN-Y 2 O 3 433433 6.66.6 J.-H. Eom, Y.-K. Seo, Y.-W. Kim, and S.-J. Lee, Met. Mater. Int., 21, 525-30 (2015)J.-H. Eom, Y.-K. Seo, Y.-W. Kim, and S.-J. Lee, Met. Mater. Int., 21 , 525-30 (2015)
αalpha Al2O3-CeO2 Al 2 O 3 -CeO 2 437437 4.64.6 H. Liang, X. Yao, J. Zhang, X. Liu, and Z, Huang, J. Eur. Ceram. Soc., 34, 831-35 (2014)H. Liang, X. Yao, J. Zhang, X. Liu, and Z. Huang, J. Eur. Ceram. Soc., 34 , 831-35 (2014) αalpha Al2O3-Y2O3 Al 2 O 3 - Y 2 O 3 498498 5.65.6 A. Gubernat, L. Stobierski, and P. Labaj, J. Eur. Ceram. Soc., 27, 781-89 (2007)A. Gubernat, L. Stobierski, and P. Labaj, J. Eur. Ceram. Soc., 27 , 781-89 (2007)

상기 표 2를 참조하면, SCA와 SCB의 파괴 인성(fracture toughness)은 각각 4.1 MPa.m1/2, 5.1 MPa.m1/2이고, SCA와 SCB의 굴곡 강도(flexural strength)는 각각 509 MPa 과 520 MPa로 측정되었다. Referring to Table 2, the fracture toughness of SCA and SCB is 4.1 MPa.m 1/2 and 5.1 MPa.m 1/2 , respectively, and the flexural strengths of SCA and SCB are 509 MPa And 520 MPa, respectively.

β-SiC 분말로부터 제조된 SiC 세라믹의 우수한 파괴 인성 및 굴곡 강도는 α-SiC 분말로부터 얻어진 SCA의 종횡비(aspect ratio)가 1.38인데 비하여 β-SiC 분말로부터 제조된 SCB의 종횡비는 2.04를 가짐으로 인해 더 큰 입자크기를 가지는 것에 기인한다. The excellent fracture toughness and flexural strength of the SiC ceramics prepared from the β-SiC powder are as follows: the aspect ratio of the SCA obtained from the α-SiC powder is 1.38, whereas the aspect ratio of the SCB produced from the β-SiC powder is 2.04 Due to having larger particle size.

이러한 결과로부터, 본 발명에 따라 제조된 SiC 세라믹들은 상기 표 2에서 확인할 수 있는 바와 같이 압력없는 조건에서 소결된 다른 SiC 세라믹 그룹들 보다 우수한 기계적 물성을 가짐을 확인할 수 있었으며, 이는 AlN-Y2O3-Sc2O3 첨가제 시스템이 SiC 세라믹의 기계적 물성을 개선하는 데 효과적임을 입증할 수 있었다.From these results, it can be seen that the SiC ceramics produced according to the present invention have superior mechanical properties to other SiC ceramic groups sintered under pressureless conditions, as can be seen from Table 2 above. This shows that AlN-Y 2 O 3- Sc 2 O 3 It has been proved that the additive system is effective for improving the mechanical properties of SiC ceramics.

실험예Experimental Example 6 : 기계적 특성( 6: Mechanical properties ( MechanicalMechanical PropertyProperty )-2)-2

상기 제조된 SiC 세라믹의 경도(hardness)를 측정하였으며, 그 결과를 다음 표 3에 나타내었다.The hardness of the prepared SiC ceramics was measured and the results are shown in Table 3 below.

소결첨가제Sintering additive 입자크기
(㎛)
Particle size
(탆)
경도
(GPa)
Hardness
(GPa)
참조문헌References
AlN-Sc2O3-Y2O3 AlN-Sc 2 O 3 -Y 2 O 3 1.41.4 27.227.2 본 발명 SCAThe present invention SCA AlN-Sc2O3-Y2O3 AlN-Sc 2 O 3 -Y 2 O 3 1.91.9 25.025.0 본 발명 SCBInvention SCB B4C-AlN-CB 4 C-AlN-C 1~21-2 29.229.2 A. Malinge, A. Coupe, S. Jouannigot, Y. L. Petitcorps, R. Pailler, and P. Weisbecker
J. Eur. Ceram. Soc., 32, 4419-26 (2012)
A. Malinge, A. Coupe, S. Jouannigot, YL Petitcorps, R. Pailler, and P. Weisbecker
J. Eur. Ceram. Soc., 32 , 4419-26 (2012)
Al2O3-Lu2O3 Al 2 O 3 -Lu 2 O 3 1.11.1 27.627.6 H. Liang, X. Yao, J. Zhang, X. Liu, and Z, Huang,
J. Eur. Ceram. Soc., 34, 2865-74 (2014)
H. Liang, X. Yao, J. Zhang, X. Liu, and Z, Huang,
J. Eur. Ceram. Soc., 34 , 2865-74 (2014)
Al2O3-Y2O3-TiO2 Al 2 O 3 - Y 2 O 3 --TiO 2 1~21-2 27.427.4 H. Liang, X. Yao, H. Zhang, X. Liu, and Z, Huang, Ceram. Int., 40, 10699-704 (2014)H. Liang, X. Yao, H. Zhang, X. Liu, and Z, Huang, Ceram. Int., 40 , 10699-704 (2014) B-CB-C 3030 24.424.4 G. Magnani, A. Brentari, E. Burresi, and G. Raiteri, Ceram. Int., 40, 1759-63 (2014)G. Magnani, A. Brentari, E. Burresi, and G. Raiteri, Ceram. Int., 40 , 1759-63 (2014)

상기 표 3를 참조하면, SCA와 SCB의 경도 값은 각각 27.2 GPa 와 25.0 GPa로 측정되었다.Referring to Table 3, the hardness values of SCA and SCB were measured to be 27.2 GPa and 25.0 GPa, respectively.

통상, 산소 첨가제 함량이 더 적고, 입자크기가 더 작은 두 가지 조건에서 단일체(monolithic) SiC의 경우 경도 값은 더 높아지는 것으로 알려져 있다. 비록, SCA와 SCB에서는 동일한 함량으로 포함된다 하더라도, SCA에서는 SCB보다 더 높은 경도 값을 가지는 것을 알 수 있는데, 이는 SCB(1.9㎛)보다 SCA(1.4㎛)의 입자 크기가 더 작기 때문이다. It is generally known that monolithic SiC has higher hardness values under two conditions with smaller oxygen additive content and smaller particle size. Although SCA and SCB contain the same content, we can see that SCA has a higher hardness value than SCB because the particle size of SCA (1.4 ㎛) is smaller than SCB (1.9 ㎛).

이러한 결과로부터, 압력없이 소결시켜 SiC 세라믹을 제조함에 있어 경도 개선을 위해서는 적절한 소결 첨가제를 선택하는 것과 함께 더 미세한 구조를 가지는 첨가제를 선택하는 것이 중요함을 확인할 수 있었다. From these results, it was confirmed that it is important to select an appropriate sintering additive and an additive having a finer structure in order to improve the hardness in the production of SiC ceramics without sintering.

Claims (12)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 실리콘 카바이드 분말, AlN-Y2O3-Sc2O3 소결 첨가제를 에탄올 용매 하에 혼합시키는 단계;
상기 혼합된 슬러리를 건조시켜 20MPa 압력으로 프레싱하는 단계;
상기 프레싱된 재료를 270MPa 압력으로 냉간 등방가압성형(CIP, cold isotactic pressing)시켜 밀도를 높이는 단계; 및
상기 냉간 등방가압성형 시킨 재료를 상압(1기압)에서 액상 소결시키는 단계;를 포함하며,
상기 실리콘 카바이드(SiC) 분말은 93.5 vol%, 상기 AlN은 1.5 vol%, 상기 Y2O3-Sc2O3는 5 vol%이고, Y2O3와 Sc2O3는 50:50의 비율로 혼합된 것을 특징으로 하는, 상압 액상 소결 공정으로 제조된 실리콘 카바이드 세라믹의 제조방법.
Silicon carbide powder, AlN-Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 sintering additive in an ethanol solvent;
Drying the mixed slurry and pressing it at a pressure of 20 MPa;
Increasing the density of the pressed material by cold isotactic pressing (CIP) at a pressure of 270 MPa; And
Sintering the material subjected to the cold isostatic pressing at a normal pressure (1 atm)
Wherein the silicon carbide (SiC) powder is 93.5 vol%, the AlN is 1.5 vol%, the Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 is 5 vol%, Y 2 O 3 and Sc 2 O 3 are 50:50 Wherein the silicon carbide ceramics are produced by a pressurized liquid sintering process.
제10항에 있어서,
상기 AlN-Y2O3-Sc2O3 소결 첨가제는 상기 실리콘 카바이드(SiC)의 SiO2 층과 반응하여 Al-Y-Sc-Si-ON 계 액상을 형성시키고,
상기 Al-Y-Sc-Si-ON계 액상은 소결 과정에서 SiC의 용해에 의해 Al-Y-Sc-Si-OCN 계 액상을 형성하며,
상기 Al-Y-Sc-Si-OCN 계 액상은 액상 소결에 의해 SiC의 치밀화를 촉진시키는 것을 특징으로 하는 상압 액상 소결 공정으로 제조된 실리콘 카바이드 세라믹의 제조방법.
11. The method of claim 10,
The AlN-Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 sintering additive reacts with the SiO 2 layer of the silicon carbide (SiC) to form an Al-Y-Sc-Si-ON liquid phase,
The Al-Y-Sc-Si-OC-based liquid phase forms an Al-Y-Sc-Si-OCN-based liquid phase by dissolving SiC in a sintering process,
Wherein the Al-Y-Sc-Si-OCN-based liquid phase promotes densification of SiC by liquid phase sintering.
삭제delete
KR1020150166251A 2015-11-26 2015-11-26 Silicon carbide ceramics and method for preparing thereof KR101698378B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150166251A KR101698378B1 (en) 2015-11-26 2015-11-26 Silicon carbide ceramics and method for preparing thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150166251A KR101698378B1 (en) 2015-11-26 2015-11-26 Silicon carbide ceramics and method for preparing thereof

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101698378B1 true KR101698378B1 (en) 2017-01-20

Family

ID=57989569

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150166251A KR101698378B1 (en) 2015-11-26 2015-11-26 Silicon carbide ceramics and method for preparing thereof

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101698378B1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102012004B1 (en) 2018-05-31 2019-08-19 한전원자력연료 주식회사 Silicon carbide ceramics having an environment barrier layer and method of manufacturing the same

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100426804B1 (en) * 2001-03-10 2004-04-08 한국과학기술연구원 Silicon Carbide Ceramics with Improved Oxidation Resistance and Process Therefor
KR100917038B1 (en) * 2008-04-17 2009-09-10 한국과학기술연구원 Ceramic compositions for sintered silicon carbide body, sintered body and its preparing method

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100426804B1 (en) * 2001-03-10 2004-04-08 한국과학기술연구원 Silicon Carbide Ceramics with Improved Oxidation Resistance and Process Therefor
KR100917038B1 (en) * 2008-04-17 2009-09-10 한국과학기술연구원 Ceramic compositions for sintered silicon carbide body, sintered body and its preparing method

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
J. Am. Ceram. Soc., 97 [3] 923-.928 (2014.10.25.)* *
Y.-W. Kim, K.-Y. Lim, and W.-S. Seo, "Microstructure and Thermal Conductivity of Silicon Carbide with Yttria and Scandia", J. Am. Ceram. Soc.97 [3] 923-928 (2014)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102012004B1 (en) 2018-05-31 2019-08-19 한전원자력연료 주식회사 Silicon carbide ceramics having an environment barrier layer and method of manufacturing the same
WO2019231045A1 (en) 2018-05-31 2019-12-05 한전원자력연료 주식회사 Silicon carbide sintered body having oxidation resistance layer, and method for producing same

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kim et al. Microstructure and thermal conductivity of silicon carbide with yttria and scandia
Cho et al. Thermal, electrical, and mechanical properties of pressureless sintered silicon carbide ceramics with yttria-scandia-aluminum nitride
Eom et al. Mechanical and thermal properties of pressureless sintered silicon carbide ceramics with alumina–yttria–calcia
Hampshire Silicon nitride ceramics
Seo et al. High thermal conductivity of spark plasma sintered silicon carbide ceramics with yttria and scandia
KR101794410B1 (en) Sintered silicon nitride having high thermal conductivity and Manufacturing method thereof
Kim et al. Electrical resistivity of α-SiC ceramics sintered with Al2O3 or AlN additives
Seo et al. High-temperature strength of a thermally conductive silicon carbide ceramic sintered with yttria and scandia
Maity et al. High‐temperature strength of liquid‐phase‐sintered silicon carbide ceramics: a review
Seo et al. Process-tolerant pressureless-sintered silicon carbide ceramics with alumina-yttria-calcia-strontia
Lim et al. High temperature strength of silicon carbide sintered with 1 wt.% aluminum nitride and lutetium oxide
US7951737B2 (en) Aluminum oxide-based composite sintered body and cutting insert
KR102086570B1 (en) Method for manufacturing sialon-based ceramic materials having controlled hardness and toughness for cutting tools and materials manufactured thereby
KR101681184B1 (en) Composition for Pressureless Sintered Silicon Carbide Material Having Low-Resistivity, Sintered Body and the Producing Method of the Same
KR101620510B1 (en) Pressureless sintered silicon carbide ceramics with high fracture toughness and high hardness, compositions thereof and Process for producing the Same
KR101698378B1 (en) Silicon carbide ceramics and method for preparing thereof
KR101723675B1 (en) Composition used for preparing electrically conductive SiC-BN composite ceramic and method for preparing electrically conductive SiC-BN composite ceramic using the same
Tanaka et al. Nonequiaxial grain growth and polytype transformation of sintered α‐silicon carbide and β‐silicon carbide
KR102328802B1 (en) SiAlON composite and cutting tools made thereof
KR102086569B1 (en) Method for manufacturing sialon-based ceramic materials for cutting tools having enhanced toughness and materials manufactured thereby
KR20180121257A (en) Pressureless Sintered Dense Silicon Nitride Body Having High Toughness and High Strength without Rare-Earth Compounds and Silicon Nitride Structural Parts and the Manufacturing Method of the Same
Nagano et al. Effect of Dynamic Microstructural Change on Deformation Behavior in Liquid‐Phase‐Sintered Silicon Carbide with Al2O3–Y2O3–CaO Additions
KR101649551B1 (en) SiC-TiN ceramic composites
KR101860477B1 (en) Composition used for manufacturing SiC-Zr2CN composites and method for manufacturing SiC-Zr2CN composites using the same
Li et al. Thermal Conductivity and Flexural Strength of Two-Step Hot-Pressed SiC Ceramics

Legal Events

Date Code Title Description
AMND Amendment
X091 Application refused [patent]
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20200106

Year of fee payment: 4