KR101960264B1

KR101960264B1 - 잔류응력이 없는 탄화규소 접합체 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101960264B1
Application number: KR1020170030548A
Authority: KR
Inventors: 김영욱; 장승훈
Original assignee: 서울시립대학교 산학협력단
Priority date: 2017-03-10
Filing date: 2017-03-10
Publication date: 2019-03-20
Also published as: KR20180103509A; US20180257997A1

Abstract

본 발명은 탄화규소 접합체 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 탄화규소 접합체의 제조방법에 있어서, 접합체를 구성하는 탄화규소 기재를 소결하는 단계; 소결된 탄화규소 기재 중 선택된 적어도 두개의 기재 사이에 상기 탄화규소 기재와 동일한 조성을 갖는 소결되지 아니한 탄화규소 접합제를 개재하여 탄화규소 예비 접합체를 제조하는 단계; 및 상기 탄화규소 예비 접합체를 열처리하여 탄화규소 접합체를 제조하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탄화규소 접합체 및 그 제조 방법을 제공한다.
이상과 같은 본 발명에 따르면, 본 발명은 탄화규소 기재의 조성과 일치하는 접합제를 사용함으로써, 잔류응력이 없는 접합체를 제조 할 수 있으므로, 기재 강도의 65 내지 190% 범위의 높은 강도를 가진 탄화규소 접합체 제조가 가능하다.

Description

잔류응력이 없는 탄화규소 접합체 및 그 제조방법{Residual stress free joined SiC ceramics and the processing method of the same}

본 발명은 잔류응력이 없는 탄화규소 접합체 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 탄화규소 접합체의 제조방법에 있어서, 접합체를 구성하는 탄화규소 기재를 소결하는 단계; 소결된 탄화규소 기재 중 선택된 적어도 두개의 기재 사이에 상기 탄화규소 기재와 동일한 조성을 갖는 탄화규소 접합제를 개재하여 탄화규소 예비 접합체를 제조하는 단계; 및 상기 탄화규소 예비 접합체를 열처리하여 탄화규소 접합체를 제조하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탄화규소 접합체 및 그 제조 방법을 제공한다.

본 발명은 또한, 탄화규소 기재를 액상소결법을 사용하여 소결체로 제조하는 단계와 상기 두 탄화규소 기재를 접합제 없이 접합하는 단계를 포함하는 탄화규소 접합체의 제조 방법도 제공한다.

탄화규소(SiC)는 내마모성, 내산화성 및 고온강도가 우수하며, 높은 경도 및 열전도율을 나타내어 고온구조재료 및 열교환기, 마이크로 가스터빈 등으로 사용되고 있다. 특히 탄화규소를 접합체로 제조할 경우 기계적 물성면에서 취약하거나 필수적인 분야에서 이를 보강, 보완 및 대체할 수 있도록 폭넓게 응용될 수 있으며, 단일 세라믹스로 제조하기 어려운 복잡형상 및 대형 기물의 제조에도 적용 가능한 매우 유망한 소재이다.

특히, 탄화규소 접합체는 1200℃ 이상의 고온조건에서도 안정하기 때문에, 반도체 확산 공정 및 화학증착 (chemical vapor deposition, CVD) 공정에서 품질 및 효율향상 등에 크게 기여하고 있고, 구체적인 응용 예로는 반도체 공정용 웨이퍼 보트(boat)가 있다. 이외에도 열교환기, 마이크로 가스터빈, 로켓의 연료관, 핵연료봉의 크래딩 튜브(cladding tube) 및 고온핵융합로의 블랭킷(blanket) 등은 복잡 형상 또는 내부 통로를 포함하고 있어서 단일 소재로는 제조하기가 어려우나, 접합공정을 거쳐서 제조하면 3차원적인 복잡형상의 제조가 용이하므로 탄화규소 접합체는 열교환기 및 마이크로 가스터빈, 로켓 연료관, 핵연료봉의 크래딩 튜브(cladding tube) 및 고온핵융합로의 블랭킷(blanket) 등에 광범위하게 사용될 수 있다.

탄화규소 접합체를 제조하는 기술은 접합제의 조성에 따라 고상확산접합(solid state diffusion bonding), 금속 브레이징(metallic brazing) 접합, Si-C 반응 접합(Si-C reaction bonding), 세라믹 전구체를 이용한 접합(Polymer-derived ceramics joining) 기술 등이 알려져 있다.

이와 같은 탄화규소 접합체를 제조하는 방법으로는 대한민국 등록특허 제10-0709544에 개시된 연질금속이 포함된 접합제를 이용하는 방법, 대한민국 등록특허 제10-1054863에 개시된 Si×-Ge(1-×) 고용체를 접합제를 이용하는 방법, 대한민국 공개특허 제10-2013-0090788에 개시된 세라믹 중합체 또는 알루미늄 호일을 이용하는 방법 등이 있다. 이렇게 제조된 탄화규소 접합체의 강도는 탄화규소 기재 강도의 25 ~ 90% 정도로서 모재에 비해 낮은 굽힘강도를 갖는다. 이는 탄화규소 기재와 다른 조성의 접합제를 사용하였기 때문이며, 접합제와 탄화규소의 열팽창 계수 차이에 의해 잔류응력이 접합 부분에 필연적으로 남아있기 때문이다.

또한, 일부 금속 브레이징 기술을 이용한 접합제는 산화 환경에서, 특히 고온에서 산화되기 쉬울 수 있는 단점이 있다. 금속 브레이징 기술로 접합된 탄화규소 접합체는 산화 환경 및 고온에서 사용되는 경우, 산화가 접합부를 약화시키고 탄화규소 접합체의 작동 수명을 단축시키는 경향이 있다.

따라서, 탄화규소 접합체를 제조하는 여러 가지 방법이 존재하지만, 탄화규소 기재의 강도와 비슷한 수준의 강도를 지닌 접합체를 제조하기 위해 잔류응력이 없으며, 산화 및 고온 환경에서 사용할 수 있는 접합제를 사용한 탄화규소 접합체를 제조하는 방법은 지금까지 보고된 바 없는 신규 기술이고, 당업계의 개선점이 될 것이다.

한국공개특허 제10-2002-0093012호 (공개일 : 2002.12.12.) 한국공개특허 제10-2006-0012860호 (공개일 : 2006.02.09.) 한국공개특허 제10-2011-0012902호 (공개일 : 2011.02.09.)

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 기재와 접합제의 조성이 동일하여 접합부에 잔류응력이 없으며, 접합부위의 강도가 기재와 동등하거나 더 높고, 따라서, 산화에 대한 저항력이 높아 고온에서 운전시 안정성이 보장될 수 있는 탄화규소 접합체를 제조하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위하여 탄화규소 접합체의 제조방법에 있어서, 접합체를 구성하는 탄화규소 기재를 소결하는 단계; 소결된 탄화규소 기재 중 선택된 적어도 두개의 기재 사이에 상기 탄화규소 기재와 동일한 조성을 갖는 소결되지 아니한 탄화규소 접합제를 개재하여 탄화규소 예비 접합체를 제조하는 단계; 및 상기 탄화규소 예비 접합체를 열처리하여 탄화규소 접합체를 제조하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탄화규소 접합체의 제조 방법을 제공한다.

상기 탄화규소 접합제는 탄화규소 시트 성형체, 탄화규소 분말, 탄화규소 슬러리 중 어느 하나인 것이 바람직하다.

상기 탄화규소 슬러리는 탄화규소 기재상에 도포하거나 스프레이 하여 형성되는 것이 바람직하다.

상기 탄화규소 예비 접합체를 제조하는 단계;에서는 상기 탄화규소 예비 접합체를 하소하여 탄화규소 시트에 잔류하는 유기물을 비산하는 것이 바람직하다.

상기 하소는 850 ~ 950℃의 온도범위에서 30분 내지 2시간 동안 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 탄화규소 접합체를 제조하는 단계;에서는 상기 탄화규소 기재의 소결시와 동일한 분위기이어야 하며, 소결첨가제가 액상을 형성하는 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.

상기 분위기는 아르곤, 질소 또는 진공이며, 상기 열처리 온도는 1750℃ 내지 2000℃인 것이 바람직하다.

상기 탄화규소 기재를 소결하는 단계;에서는 탄화규소 분말과 소결첨가제를 혼합한 후, 성형하여 1750℃ 내지 2100℃에서 소결하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 탄화규소 접합체의 제조방법에 있어서, 접합체를 구성하는 탄화규소 기재를 소결하는 단계; 상기 탄화규소 기재의 표면에 거칠기를 부여하는 단계; 상기 거칠기가 부여된 탄화규소 기재 중 선택된 적어도 두개의 탄화규소 기재를 접촉하여 액상의 형성온도에서 상기 적어도 두개의 탄화규소 기재를 액상에 의하여 접합하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탄화규소 접합체의 제조 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 전술한 방법에 의하여 제조되며, 접합체 전 영역에 잔류응력이 존재하지 않고, 접합부분의 강도가 기재 강도의 65 내지 190%의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 탄화규소 접합체를 제공한다.

본 발명에 따른 잔류응력이 없는 탄화규소 접합체의 제조 방법에 의하면, 탄화규소 접합체의 제조에 사용되는 접합용 접합제는 접합되는 탄화규소 기재의 조성과 일치하는 것으로 사용함으로써, 탄화규소 기재와 접합제의 열팽창 계수 차이에 의해 발생하는 크랙(crack)의 발생 또는 잔류응력의 형성을 완벽히 억제하여, 탄화규소 접합체의 강도를 높일 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명은 상기와 같은 효과를 얻음과 동시에, 접합제의 조성이 탄화규소 기재와 동일하기 때문에 산화 환경 및 고온 환경에서 단일 세라믹스처럼 거동하여 안정한 접합체를 제작할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화규소 접합체의 제조방법에 의하여 제조된 접합체의 기재와 접합제 사이의 잔류응력이 없는 미세구조를 촬영한 현미경 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화규소 접합체의 제조방법 중, 접합제로서 기재와 동일한 탄화규소 테이프(SiC tape)를 사용하여 1800℃에서 10MPa의 압력으로 가압 접합한 접합부분의 미세구조를 촬영한 현미경 사진이다. 점선은 기재와 접합부의 경계면을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화규소 접합체의 제조방법 중, 접합제로서 기재와 동일한 탄화규소 테이프를 사용하여 1850℃에서 10 MPa의 압력으로 가압 접합한 접합부분의 미세구조를 촬영한 현미경 사진이다. 점선은 기재와 접합부의 경계면을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화규소 접합체의 제조방법 중, 접합제로 탄화규소 테이프를 사용하여 1900℃에서 10 MPa의 압력으로 가압 접합한 접합부분의 미세구조를 촬영한 현미경 사진이다. 점선은 기재와 접합부의 경계면을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화규소 접합체의 제조방법 중, 접합제로 탄화규소 테이프를 사용하고 1850℃에서 20 MPa의 압력으로 가압 접합한 접합부분의 미세구조를 촬영한 현미경 사진이다. 점선은 기재와 접합부의 경계면을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화규소 접합체의 제조방법 중, 접합제를 부가하지 않고, 탄화규소 기재를 1850℃에서 10 MPa의 압력으로 가압 접합한 접합부분의 미세구조를 촬영한 현미경 사진이다. 흰색 화살표는 접합부와 기재의 경계를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화규소 접합체의 제조방법 중, 접합제를 부가하지 않고, 탄화규소 기재를 1850℃에서 15 MPa의 압력으로 가압 접합한 접합부분의 미세구조를 촬영한 현미경 사진이다. 흰색 화살표는 접합부와 기재의 경계를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화규소 접합체의 제조방법 중, 접합제를 부가하지 않고, 탄화규소 기재를 1850℃에서 20 MPa의 압력으로 가압 접합한 접합부분의 미세구조를 촬영한 현미경 사진이다.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.

본 발명에 따른 탄화규소 접합체의 제조방법은, 접합체를 구성하는 탄화규소 기재를 소결하여 소결체로 제조하는 단계, 상기 얻어진 탄화규소 소결체로부터 선택되는 적어도 두개의 탄화규소 기재의 접합면 중 최소한 어느 하나의 접합면에 접합제를 부가하거나 접합제를 탄화규소 기재 사이에 개재시키는 단계 및 소결하여 상기 두 탄화규소 기재를 접합하는 단계를 포함한다.

상기 탄화규소 기재는 내마모성, 내부식성, 고열전도성 및 화학안정성 등 우수한 특성을 나타내며, 탄화규소 분말과 소결첨가제를 혼합한 후, 성형하여 1750℃ 내지 2100℃에서 소결하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 탄화규소 기재를 제조할 때 사용되는 탄화규소의 입자 크기는 특별히 제한되지 않으나, 높은 비표면적에 따른 소결특성 향상 및 체적비저항 증가의 원인이 되는 소결첨가제의 함량 감소를 위해 마이크론(micron) 또는 서브마이크론(sub-micron) 크기의 입도를 가지는 것이 바람직하다.

그리고, 소결첨가제의 조성 역시 특별히 제한되지 않으나, 소결특성을 향상 시킬 수 있는 소결첨가제를 사용하는 것이 바람직하다.

두 탄화규소 기재의 접합면 중 최소한 하나의 접합면에 접합제를 부가하거나, 접합면에 접합제를 개재시키는 단계에서, 접합제는 탄화규소 기재의 조성과 같은 조성을 사용한다. 접합제의 형태는 조성이 같다면 특별히 제한되지 않으나, 접합체의 기계적 물성에 영향을 줄 수 있는 두께를 조절함에 있어 용이하게 하기 위하여, 테이프 캐스팅 방법에 의해 제조되는 테이프(시트), 파우더 및 파우더에 용매를 혼합한 슬러리, 또는 스프레이 형태를 사용하는 것이 바람직하다. 즉, 접합제가 테이프 형태라면 탄화규소 기재 사이에 개재시키며, 파우더는 탄화규소 기재중 어느 한 면에 뿌리거나 도포하며, 슬러리는 도포하는 등의 방법을 사용한다. 스프레이는 스프레이 장치를 사용할 수 있다.

나아가, 접합제를 제조하는데 있어서, 공지된 다양한 분말 분쇄 방법을 사용할 수 있으며, 예를 들어, 슬러리를 제조하기 위하여 에탄올 등의 유기 용매에 혼합 분말을 혼합하여 분산시키고, 볼 등을 이용하여 분쇄하는 유성볼밀 방식을 사용할 수 있으나, 이러한 방법에 제한받지 않고 다양한 방법을 사용하여 접합제를 제조할 수 있다.

또한 접합제를 부가하지 않고 두 탄화규소 기재의 접합면을 접합하는 방법도 포함되며, 이는 접합체의 접합부분이 두 탄화규소의 기재와 같은 조성이 되기 때문이다. 이처럼 접합제와 접합 기재가 같은 조성으로 사용하여 잔류응력 또는 미세한 균열(crack)이 없는 접합체를 제조할 수 있고, 이로써 기계적 물성이 현저히 향상된 탄화규소 접합체를 제조할 수 있다.

두 탄화규소 기재를 접합하는 단계에서 접합 분위기는 두 탄화규소 기재의 소결 조건과 같은 조건으로 하는 것이 바람직하다. 즉, 탄화규소 기재를 아르곤에서 소결하였다면, 접합하는 단계에서 아르곤 분위기에서 접합하는 것이 바람직하다. 탄화규소의 소결 메카니즘에 의하여 소결 분위기에 따라 형성되는 액상의 종류가 달라지기 때문에 소결 분위기가 다르면 기재와 접합제의 조성 및 구조를 일치시키기 어렵다. 따라서 탄화규소 기재의 소결 조건과 같은 조건으로 하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 접합 공정을 실시할 때, 접합 온도는 탄화규소 기재의 소결온도인 1750℃ 내지 2000℃로 하는 것이 바람직하나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 다만, 접함온도에서 기재 및 접합제 모두에 액상이 형성되도록 하는 온도 범위이면 무방하다.

접합제를 기재와 동일 조성으로 사용하는 경우 두 기재가 접합되는 메커니즘(mechanism)은 접합제의 첨가제가 액상을 형성하고, 기재에 첨가되었던 동일 조성의 액상이 동시에 형성되어 액상의 결합력에 의해 접합이 일어나게 된다.

접합제를 부가하지 않는 경우 두 기재가 접합되는 메커니즘은 액상소결 탄화규소의 경우 고온에서 존재하던 액상이 소결 공정을 마치고 냉각되는 과정에서 고상으로 변한 것으로서, 접합공정을 위해 재가열하면 기재 내에 액상이 다시 형성되고, 두 기재를 접합하기 위해 잘 접촉시키면 기재의 접촉면의 표면 거칠기 (roughness) 때문에 두 기재의 접촉면 사이에 기공이 존재하고, 기공의 모세관 힘이 기재 내에 형성된 액상을 잡아당겨서 기공이 액상으로 채워지게 되고, 접합층을 형성하며, 이 액상이 접합제로 작용하여 두 기재의 접합이 일어난다.

이하, 본 발명을 실시예를 들어 더욱 상세히 설명하도록 한다.

제시된 실시예는 본 발명의 구체적인 예시일 뿐이며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.

< 제조예 >

[탄화규소 기재의 제조]

탄화규소 접합체를 구성하는 두 탄화규소 기재는 상용 서브마이크론 β-SiC 분말(Grade BF-17, H.C. Starck, Berlin, Germany), 상용 서브마이크론 α-SiC 분말(FCP15C, Norton AS, Lillesand, Norway), Al₂O₃ 분말(AKP-30, Sumitomo Chemical Co., Tokyo, Japan), Y₂O₃분말(Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd.), 및 MgO분말(Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd.)을 출발 물질로 사용했다.

SiC 볼과 폴리프로필렌(polypropylene) 용기를 이용해 아래 ‘표 1’에 기재된 혼합 분말 배치를 에탄올 내에서 24시간 동안 혼합하였다. 아래 ‘표 1’에서 확인할 수 있는 바와 같이 배치에 포함된 첨가제의 총함량은 4 wt%로 고정하였다.

No.	탄화규소 기재 조성 (wt%)	접합재 조성 (wt%)	접합층두께 (㎛)	4점 굴곡강도(MPa)		파단 위치
No.	탄화규소 기재 조성 (wt%)	접합재 조성 (wt%)	접합층두께 (㎛)	접합체	모재	파단 위치
1	1.000% α-SiC + 95.000% β-SiC + 2.560% Al₂O₃ + 1.040% Y₂O₃ + 0.400% MgO	기재와 동일 조성	~40	196	289	접합 계면
2		기재와 동일 조성	~40	295	289	모재 내부
3		기재와 동일 조성	~40	332	289	접합 계면 및 모재 내부
4		기재와 동일 조성	~35	343	289	모재 내부
5		없음	~1.5	401	289	모재 내부
6		없음	~1.5	464	289	모재 내부
7		없음	~1.5	550	289	모재 내부

혼합 공정을 거친 슬러리를 건조시킨 후, 60 mesh체 (sieve)를 이용해 체가름하고, 아르곤 분위기 하에서 1800℃에서 6시간 동안 20 MPa의 압력으로 가압소결(hot press)법을 통한 소결을 실시하였다. 소결 된 탄화규소 벌크 소재를 15 mm × 15 mm × 12.5 mm 2개로 절단 후 접합면을 ~1 ㎛ 까지 연마하였다.

< 실시예 1>

접합면 중 하나에 탄화규소 테이프 형태이고, 기재의 조성과 같은 조성을 지닌 ~180 ㎛ 두께의 접합제를 부가하였다. 이어서, 두 기재를 일축 가압 후 아르곤 분위기에서 900℃에서 1시간 동안 열처리(하소)를 하였다. 이는 테이프 형태의 접합제의 바인더를 미리 제거하여, 접합체의 접합부분에 형성될 수 있는 기공을 제어하기 위함이다. 여기서 온도 및 시간을 가변하는 것이 가능하며, 바람직하게는 850 내지 950℃의 범위와 30분 내지 2시간의 범위로 운용될 수 있다.

열처리된 탄화규소 접합체를 가압 가열 장치에서 가압 열처리 하였다. 이 때, 가압 장치의 압력은 10 MPa, 열처리 온도는 1800℃, 열처리 시간은 1시간이며, 열처리 분위기 가스로는 아르곤 가스를 사용하였다.

도 2는 상기 가압 열처리 후의 탄화규소 접합체 단면의 주사 전자 현미경 사진이며, 전자현미경 상에서 접합제 부분(점선)이 두 탄화규소 기재(A,B)에 비해 기공이 많아 기재와 명확히 구분되는 것을 알 수 있다. 그러나 기재와 조성이 동일하므로 잔류응력은 존재하지 않는다.

접합체를 ASTM C 1161-13 표준규격에 준거한 2 mm × 1.5 mm × 25 mm 크기의 막대-모양의 샘플로 자르고 연마하였다. 상기 막대의 인장표면은 1-㎛ 다이아몬드 페이스트로 연마시키고, 절개(sectioning)로 인해 발생되는 큰 엣지(edge) 결함과 스트레스 축척을 피하기 위해 엣지 부분을 둥그렇게 만들었다. 굴곡강도 시험은 내부와 외부의 스팬(span)이 각 10mm, 20mm인 4-점 굴곡강도 측정법을 이용하여 크로스헤드 속도 0.2 mm/min에서 수행하였다.

4점 굴곡강도 시험 결과를 표 1에 나타내었다. 실시예 1인 No. 1 접합체는 외부에 결함이 없었으며, 접합층의 두께는 약 ~40 ㎛로 이루어진 것을 확인할 수 있었다. 또한 기재만의 시험편을 제조하고 4점 굴곡강도를 접합체와 비교하였다. No. 1 접합체는 모든 시편이 접합계면에서 파괴되었으며, 그 값은 196 MPa로서 모재의 4점 굴곡강도(289 MPa)의 65% 이상이었다.

< 실시예 2>

접합면 중 하나에 탄화규소 테이프 형태이고, 기재의 조성과 같은 조성을 지닌 ~180 ㎛ 두께의 접합제를 부가하였다. 이어서, 두 기재를 일축 가압 후 아르곤 분위기를 사용하여 900℃에서 1시간 동안 열처리를 하였다. 이는 테이프 형태의 접합제의 바인더를 미리 제거하여, 접합체의 접합부분에 형성될 수 있는 기공을 제어하기 위함이다.

열처리 된 탄화규소 접합체를 가압 가열 장치에서 가압 열처리 하였다. 이 때, 가압 장치의 압력은 10 MPa, 열처리 온도는 1850℃, 열처리 시간은 1시간이며, 열처리 분위기 가스로는 아르곤 가스를 사용하였다.

도 3은 상기 가압 열처리 후의 탄화규소 접합체 단면의 주사 현미경 사진이며, 전자현미경 사진상에서 두 탄화규소 기재(A,B)와 접합체 부분(점선)이 구분되지 않을 정도로 접합이 양호하게 이루어졌음을 알 수 있다.

실시예1과 동일한 방법으로 2 mm × 1.5 mm × 25 mm 크기의 굴곡강도 시편을 제조하였고, 실시예1과 동일한 방법으로 4점 굴곡강도를 측정하였다.

4점 굴곡강도 시험 결과를 표 1에 나타내었고, 기재의 굴곡강도와 비교하였다. 실시예 2인 No. 2 접합체는 외부에 결함이 없었으며, 접합층의 두께는 약 ~40 ㎛로 이루어진 것을 확인할 수 있었다. 또한, No. 2 접합체는 모든 시편이 모재 내부에서 파괴되었으며, 4점 굴곡강도는 295 MPa로서 탄화규소 기재의 굴곡강도와 거의 동등하였다.

< 실시예 3>

접합면 중 하나에 탄화규소 테이프 형태이고, 기재의 조성과 같은 조성을 지닌 ~180 ㎛ 두께의 접합제를 부가하였다. 이어서, 두 기재를 일축 가압 후 아르곤 분위기에서 900℃, 1시간 동안 열처리를 하였다. 이는 테이프 형태의 접합제의 바인더를 미리 제거하여, 접합체의 접합부분에 형성될 수 있는 기공을 제어하기 위함이다.

열처리 된 탄화규소 접합체를 가압 가열 장치에서 가압 열처리 하였다. 이 때, 가압 장치의 압력은 10 MPa, 열처리 온도는 1900℃, 열처리 시간은 1시간이며, 열처리 분위기 가스로는 아르곤 가스를 사용하였다.

도 4는 상기 가압 열처리 후의 탄화규소 접합체 단면의 주사 현미경 사진이며, 전자현미경 상에서 두 탄화규소 기재(A,B)와 접합체 부분(점선)이 구분되지 않을 정도로 접합이 양호하게 이루어졌음을 보여준다.

실시예1과 동일한 방법으로 2 mm × 1.5 mm × 25 mm 크기의 굴곡강도 시편을 제조하였고, 실시예1과 동일한 방법으로 4점 굴곡강도 측정법을 이용하여 굴곡강도를 측정하였다.

4점 굴곡강도 시험 결과를 표 1에 나타내었고, 기재의 굴곡강도와 비교하였다. 실시예 3인 No. 3 접합체는 외부에 결함이 없었으며, 접합층의 두께는 약 ~40 ㎛로 이루어진 것을 확인할 수 있었다. No. 3 접합체는 모재 내부 또는 접합 계면에서 파괴되었으며, 4점 굴곡강도는 332 MPa로서 탄화규소 기재만의 강도보다 약 15% 높아진 것을 확인할 수 있었다.

< 실시예 4>

접합면 중 하나에 테이프 형태이고, 기재의 조성과 같은 조성을 지닌 ~180 ㎛ 두께의 접합제를 부가하였다. 이어서, 두 기재를 일축 가압 후 아르곤 분위기에서 900℃, 1시간 동안 열처리를 하였다. 이는 테이프 형태의 접합제의 바인더를 미리 제거하여, 접합체의 접합부분에 형성될 수 있는 기공을 제어하기 위함이다.

열처리 된 탄화규소 접합체를 가압 가열 장치에서 가압 열처리 하였다. 이 때, 가압 장치의 압력은 20 MPa, 열처리 온도는 1850℃, 열처리 시간은 1시간이며, 열처리 분위기 가스로는 아르곤 가스를 사용하였다. 상기 실시예 1~3보다 높은 압력조건에서 가압 열처리 하였다.

도 5는 상기 가압 열처리 후의 탄화규소 접합체 단면의 주사 현미경 사진이며, 전자현미경 상에서 두 탄화규소 기재(A,B)와 접합체 부분(점선)이 구분되지 않을 정도로 접합이 양호하게 이루어졌음을 알 수 있다.

실시예1과 동일한 방법으로 접합체로부터 2 mm × 1.5 mm × 25 mm 크기의 굴곡강도 시편을 제조하였고, 실시예1과 동일한 방법으로 4점 굴곡강도 측정법을 이용하여 굴곡강도를 측정하였다.

4점 굴곡강도 시험 결과를 표 1에 나타내었고, 기재의 굴곡강도와 비교하였다. 실시예 4인 No. 4 접합체는 외부에 결함이 없었으며, 접합층의 두께는 약 ~35 ㎛로 이루어진 것을 확인할 수 있었다. 접합층의 두께가 실시예1 내지 3에 비해 얇아진 이유는 실시예1 내지 3의 경우보다 접합시 가하는 압력이 20 MPa 로 높았기 때문이다.

No. 4 접합체는 모든 시편이 모재 내부에서 파괴되었으며, 4점 굴곡강도는 343 MPa이었고 탄화규소 기재만의 강도보다 약 19% 높아진 것을 확인할 수 있었다.

< 실시예 5>

기재의 조성과 같은 접합부분을 만들기 위하여 접합제에 아무 것도 부가하지 않고 두 기재를 막대 모양으로 정렬한 후, 탄화규소 접합체를 가압 가열 장치에서 가압 열처리 하였다. 이 때, 가압 장치의 압력은 10 MPa, 열처리 온도는 1850℃, 열처리 시간은 1시간이며, 열처리 분위기 가스로는 아르곤 가스를 사용하였다.

도 6은 상기 가압 열처리 후의 탄화규소 접합체 단면의 주사 현미경 사진이며, 두 탄화규소 기재(A,B)와 접합 부분(화살표)이 구분되지 않을 정도로 접합이 양호하게 이루어졌음을 알 수 있다.

4점 굴곡강도 시험 결과를 표 1에 나타내었고, 기재의 굴곡강도와 비교하였다. 실시예 5인 No. 5 접합체는 외부에 결함이 없었으며, 접합층의 두께는 약 1.5 ㎛로 이루어진 것을 확인할 수 있었다. No. 5 접합체는 모두 모재 내부에서 파괴되었으며, 4점 굴곡강도는 401 MPa로서 탄화규소 기재만의 강도보다 약 39% 향상된 것을 확인할 수 있었다.

< 실시예 6>

기재의 조성과 같은 접합부분을 만들기 위하여 접합제에 아무 것도 부가하지 않고 두 기재를 막대 모양으로 정렬한 후, 탄화규소 접합체를 가압 가열 장치에서 가압 열처리 하였다. 이 때, 가압 장치의 압력은 15 MPa, 열처리 온도는 1850℃, 열처리 시간은 1시간이며, 열처리 분위기 가스로는 아르곤 가스를 사용하였다. 또한 필요시, 소결후 탄화규소 기재의 표면에 거칠기를 부여할 수 있다. 거칠기가 부여된 경우의 장점은 전술한 바와 같다.

도 7은 상기 가압 열처리 후의 탄화규소 접합체 단면의 주사 현미경 사진이며, 두 탄화규소 기재(A,B)와 접합체 부분(화살표)이 구분되지 않을 정도로 접합이 양호하게 이루어졌음을 알 수 있다.

4점 굴곡강도 시험 결과를 표 1에 나타내었고, 기재의 강도와 비교하였다. 실시예 6인 No. 6 접합체는 외부에 결함이 없었으며, 접합층의 두께는 약 1.5 ㎛로 이루어진 것을 확인할 수 있었다. No. 6 접합체는 모재 내부에서 파괴되었으며, 4점 굴곡강도는 464 MPa이었고 탄화규소 기재만의 강도보다 약 61% 형상된 것을 확인할 수 있었다.

< 실시예 7>

기재의 조성과 같은 접합부분을 만들기 위하여 접합제에 아무 것도 부가하지 않고 두 기재를 막대 모양으로 정렬한 후, 탄화규소 접합체를 가압 가열 장치에서 가압 열처리 하였다. 이 때, 가압 장치의 압력은 20 MPa, 열처리 온도는 1850℃, 열처리 시간은 1시간이며, 열처리 분위기 가스로는 아르곤 가스를 사용하였다.

도 8은 상기 가압 열처리 후의 탄화규소 접합체 단면의 주사 현미경 사진이며, 두 탄화규소 기재(A,B)와 접합체 부분(화살표)이 구분되지 않을 정도로 접합이 양호하게 이루어졌음을 알 수 있다.

4점 굴곡강도 시험 결과를 표 1에 나타내었고, 기재의 곡강도와 비교하였다. 실시예 7인 No. 7 접합체는 외부에 결함이 없었으며, 접합층의 두께는 약 1~2 ㎛로 이루어진 것을 확인할 수 있었다. No. 7 접합체는 모재 내부에서 파괴되었으며, 4점 굴곡강도는 550 MPa로서 탄화규소 기재의 강도보다 약 90% 향상된 것을 확인할 수 있었다.

실시예 3 내지 7의 경우 접합체의 강도가 모재의 강도보다 향상되는 특이한 결과가 얻어졌는데, 이는 접합 공정시 가압 열처리 공정에 의해 기재에 고온단조 현상이 발생하여 기재의 잔류 기공이 일부 제거되고, 탄화규소 입자의 재배열이 발생하여 접합체의 강도가 기재의 강도보다 높아지게 되었기 때문이다.

도 1은 실시예 4 시편에 잔류응력이 존재하는 지를 확인하기 위하여 접합면 근처에 비커스 다이아몬드 입자를 사용하여 1kgf 하중으로 압입한 후에 압인 흔적을 주자전자현미경으로 관찰한 것으로써, 잔류 응력이 존재하게 되면 4방향의 균열의 길이가 현저하게 차이가 나는데, 본 발명의 접합체에서는 4방향의 균열의 길이가 오차 범위(5% 이내)에서 차이가 없어서 잔류 응력이 없음을 입증한다.

이상에서 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것이 아니고 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 안정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

탄화규소 접합체의 제조방법에 있어서,
접합체를 구성하는 탄화규소 기재를 액상 소결하고 냉각하는 단계;
상기 탄화규소 기재의 표면에 거칠기를 부여하는 단계;
별도의 접합제를 부가하지 않은 상태에서, 두개의 탄화규소 기재를 막대모양으로 정렬한 후, 상기 거칠기가 부여된 탄화규소 기재 중 선택된 적어도 두개의 탄화규소 기재를 접촉하여 가압하고, 아르곤가스 분위기를 형성하며, 액상의 형성온도에서 상기 적어도 두개의 탄화규소 기재를 액상에 의하여 접합하는 단계;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탄화규소 접합체의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 탄화규소 기재를 액상 소결하고 냉각하는 단계;에서는 탄화규소 분말과 소결첨가제를 혼합한 후, 성형하여 1750℃ 내지 2100℃에서 소결하고 냉각하는 것을 특징으로 하는 탄화규소 접합체의 제조방법.
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