KR102414539B1 - A SiC powder, SiC sintered body and Manufacturing method of the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄화규소 원료물질 및 소결조제 원료물질을 기계적 합금화(mechanical alloying) 공정에 의해 합성 분말로 제조하는 단계; 및 상기 합성 분말을 소결하는 단계를 포함하고, 상기 소결조제는 Al-C계, Al-B-C계 및 B-C 계로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 탄화규소 소결체의 제조방법 및 이에 따른 탄화규소 소결체에 관한 것으로, 저온에서 소결되면서도 치밀화되며, 높은 강도 및 전기전도성을 갖는 탄화규소 소결체를 제조할 수 있다.The present invention comprises the steps of preparing a silicon carbide raw material and a sintering aid raw material into a synthetic powder by a mechanical alloying process; and sintering the synthetic powder, wherein the sintering aid is at least one selected from the group consisting of Al-C-based, Al-B-C-based and B-C-based. It relates to a silicon carbide sintered compact, which is densified while being sintered at a low temperature, and it is possible to manufacture a silicon carbide sintered compact having high strength and electrical conductivity.

Description

탄화규소 분말, 탄화규소 소결체 및 이의 제조방법{A SiC powder, SiC sintered body and Manufacturing method of the same}Silicon carbide powder, silicon carbide sintered body, and manufacturing method thereof {A SiC powder, SiC sintered body and Manufacturing method of the same}

본 발명은 높은 강도 및 전기 전도성을 갖는 탄화규소 분말, 탄화규소 소결체 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 저온에서 소결되면서도 치밀화되고, 높은 강도 및 전기 전도성을 갖는 탄화규소 분말, 탄화규소 소결체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a silicon carbide powder having high strength and electrical conductivity, a silicon carbide sintered body, and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a silicon carbide powder, a silicon carbide sintered body that is densified while sintered at a low temperature, and has high strength and electrical conductivity and to a method for manufacturing the same.

탄화규소(SiC)는 높은 인장률을 갖는 강화재료이다. 알루미나(Al2O3)가 산화물 세라믹스의 대표라면 탄화규소는 비산화물 세라믹스의 대표라고 할 수 있다.Silicon carbide (SiC) is a reinforcing material having a high tensile modulus. If alumina (Al 2 O 3 ) is representative of oxide ceramics, silicon carbide can be said to be representative of non-oxide ceramics.

탄화규소는 특히 내마모성을 대표로 하는 기계적물성, 고온강도 및 크립(creep) 저항성을 대표로 하는 열적 물성, 내산화성 및 내식성을 대표로 하는 내화학성 등 물성이 뛰어나 그 활용도가 매우 높으며, 현재 탄화규소는 '메카니컬 씰(mechanical seal)', '베어링', '각종 노즐', '고온 절삭공구', '내화판', '연마재', '제강용 환원재', '피뢰기' 등에 광범위하게 사용되고 있다.Silicon carbide has excellent physical properties, such as mechanical properties representing wear resistance, thermal properties representing high temperature strength and creep resistance, and chemical resistance representing oxidation resistance and corrosion resistance, etc. is widely used in 'mechanical seals', 'bearings', 'various nozzles', 'hot cutting tools', 'fireproof plates', 'abrasives', 'reducing materials for steel making', 'arrestors', etc.

그러나, 탄화규소 소결체를 제조하는 공정이 간단하거나 용이하지 않아 제조단가가 매우 높으며, 따라서 보다 더 활발히 이용될 수 없는 한계가 있어 이러한 제조단가 절감은 탄화규소 소결체를 제조하는데 있어 큰 과제라고 할 수 있다.However, the manufacturing cost is very high because the process of manufacturing the silicon carbide sintered body is not simple or easy, and therefore there is a limit that it cannot be used more actively. .

이러한 탄화규소 소결체를 제조하는데 있어서, 소결조제가 필수적으로 사용되고 있는데, 이러한 소결조제로는 이트리아-알루미나 계열, 금속/철/알루미늄 혼합물, 베릴륨화합물, 붕소화합물 등이 사용되고 있다.In manufacturing such a silicon carbide sintered body, a sintering aid is essentially used. As such a sintering aid, a yttria-alumina series, a metal/iron/aluminum mixture, a beryllium compound, a boron compound, etc. are used.

그러나, 이러한 소결조제를 이용하는 경우에도 약 1600℃ 전후에서 우수한 물성을 갖는 탄화규소 소결체를 제조함에 있어서, 2000℃ 이상의 매우 고온의 환경에서 장시간 동안 제조하여야 실용적인 의미를 갖는 탄화규소 소결체를 제조할 수 있다.However, even in the case of using such a sintering aid, in manufacturing a silicon carbide sintered body having excellent physical properties at about 1600 ° C. .

특히, 현재 액상 소결법으로 우수한 고온 강도를 갖는 탄화규소 소결체를 제조하는 방법으로서, 높은 결과값이 보고된 바 있는데(Kim et al. Acta Mater., 2007), 상기 소결체는 2000℃에서 6시간 동안 소결하여 제조되었으며, 소결조제로서 Sc2O3-Ru2O3-AlN을 사용하였고, 상온에서의 인장강도가 644MPa, 1600℃에서의 인장강도가 600MPa로 측정되었다.In particular, as a method for producing a silicon carbide sintered compact having excellent high temperature strength by the current liquid phase sintering method, high results have been reported (Kim et al. Acta Mater., 2007), and the sintered compact is sintered at 2000° C. for 6 hours. and Sc 2 O 3 -Ru 2 O 3 -AlN was used as a sintering aid, and the tensile strength at room temperature was 644 MPa and the tensile strength at 1600° C. was measured to be 600 MPa.

이보다 낮은 온도에서 액상소결법으로 제조된 탄화규소 세라믹스들은 많은 경우 1500℃ 이하에서 강도의 급격한 감소를 나타내었는데, 예를 들어 Al2O3-Y2O3 계 소결조제를 사용할 경우 1950℃에서 소결이 가능하나 1400℃에서 곡강도 측정시 강도의 감소와 함께 강한 소성변형이 관찰되는 문제점이 있었다(A.L. Ortiz et al., J. Europ. Ceram. Soc., 24, 3245-3249 (2004)). Silicon carbide ceramics manufactured by liquid phase sintering at a lower temperature showed a sharp decrease in strength below 1500℃ in many cases. For example, when using an Al 2 O 3 -Y 2 O 3 sintering aid, sintering at 1950℃ It is possible, but there was a problem in that a strong plastic deformation was observed with a decrease in strength when the flexural strength was measured at 1400°C (AL Ortiz et al., J. Europ. Ceram. Soc., 24, 3245-3249 (2004)).

또한, B4C와 C를 소결조제로 사용하여 고상소결한 탄화규소는 1500℃ 까지 상온보다 우수한 강도를 유지하였으나 치밀화를 위해서는 2150℃의 높은 소결온도가 필요하다는 문제점이 있었다(G. Magnani et al., J. Europ. Ceram. Soc., 21, 633-638 (2001)).In addition, solid-phase sintered silicon carbide using B 4 C and C as sintering aids maintained superior strength than room temperature up to 1500°C, but there was a problem in that a high sintering temperature of 2150°C was required for densification (G. Magnani et al. ., J. Europ. Ceram. Soc., 21, 633-638 (2001)).

즉, 1500℃ 까지 강도 저하가 적은 우수한 고온 물성을 나타내는 탄화규소 소결체는 소결온도가 매우 높고 장시간의 소결유지시간을 필요로 하는 문제점이 여전히 남아있다. That is, the silicon carbide sintered compact showing excellent high-temperature physical properties with little decrease in strength up to 1500° C. still has a problem that the sintering temperature is very high and requires a long sintering holding time.

특히, 높은 소결온도는 매우 많은 에너지를 필요로 하며, 이는 탄화규소 소결체의 제조 단가 상승으로 이어지는 문제점이 있으며, 따라서 탄화규소의 물성을 그대로 유지하면서 소결온도를 낮출 수 있는 소결조제의 개발이 필요하며, 이에 따라, 저온에서 소결되면서도 치밀화된 탄화규소 소결체의 개발이 절실히 필요한 실정이다.In particular, a high sintering temperature requires a lot of energy, which has a problem that leads to an increase in the manufacturing cost of the silicon carbide sintered body. , Accordingly, there is an urgent need for the development of a densified silicon carbide sintered body while being sintered at a low temperature.

또한, 최근 높은 전기 전도성을 갖는 탄화규소 소결체에 대한 연구 결과들이 활발히 보고되고 있다. In addition, recently, research results on a silicon carbide sintered body having high electrical conductivity have been actively reported.

이러한, 높은 전기 전도성을 갖는 탄화규소는 고온용 발열체, 고에너지용 소자 등 다양한 분야에 활용이 기대되고 있다.Silicon carbide having such high electrical conductivity is expected to be utilized in various fields such as high-temperature heating elements and high-energy devices.

예를 들어, 높은 전기전도성을 갖는 TiN 등을 SiC에 2차상으로 첨가하는 방법을 통하여 비저항 값을 1.8×10-4Ω·㎝까지 감소시킨 것이 보고되고 있으나,이 경우, 2차상과의 열팽창 계수 차이에 의한 잔류응력 문제가 발생할 수 있으며, 또한 소결 조건이 2000℃, 40MPa, 3시간으로 고온, 고압에서 비교적 장시간의 소결이 필요하다는 단점이 존재한다.For example, it has been reported that the resistivity value is reduced to 1.8×10 -4 Ω·cm through a method of adding TiN having high electrical conductivity to SiC as a secondary phase, but in this case, the coefficient of thermal expansion with the secondary phase Residual stress problems may occur due to the difference, and there is a disadvantage that sintering is required for a relatively long time at high temperature and high pressure with sintering conditions of 2000° C., 40 MPa, and 3 hours.

따라서, 기존 보다 낮은 온도 및 압력에서 단시간 소결된 후 치밀화되면서도 높은 전기 전도성을 나타내는 탄화규소 분말 및 소결체의 개발이 요구되고 있다.Therefore, there is a demand for the development of silicon carbide powders and sintered compacts that are sintered for a short time at a lower temperature and pressure than before, and exhibit high electrical conductivity while being densified.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상술된 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 저온에서 소결되면서도 치밀화되고, 높은 강도 및 전기 전도성을 갖는 탄화규소 분말, 탄화규소 소결체 및 이의 제조방법을 제공하는데 있다.The problem to be solved by the present invention is to solve the problems of the prior art described above, and to provide a silicon carbide powder, a silicon carbide sintered body, and a method for manufacturing the same, which are densified while sintered at a low temperature, and have high strength and electrical conductivity.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Objects of the present invention are not limited to the objects mentioned above, and other objects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기 지적된 문제점을 해결하기 위해서 본 발명은 소결조제를 포함하는 탄화규소 소결체에 있어서, 상기 소결조제는 Al을 포함하고, 상기 탄화규소 소결체는 그레인(grain) 내부에 0.97 내지 4.38 wt%의 Al을 포함하는 탄화규소 소결체를 제공한다.In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a silicon carbide sintered body including a sintering aid, wherein the sintering aid contains Al, and the silicon carbide sintered body contains 0.97 to 4.38 wt% of Al inside the grains. It provides a silicon carbide sintered body comprising.

또한, 본 발명은 상기 탄화규소 소결체는 그레인(grain) 내부에 0.1wt% 이상의 B를 더 포함하는 탄화규소 소결체를 제공한다.In addition, the present invention provides a silicon carbide sintered compact further comprising 0.1 wt% or more of B in the grain (grain) of the silicon carbide sintered compact.

또한, 본 발명은 상기 탄화규소 소결체의 비저항 값이 1 ~ 10-4Ω·㎝ 인 것을 특징으로 하는 탄화규소 소결체를 제공한다.In addition, the present invention provides a silicon carbide sintered body, characterized in that the specific resistance value of the silicon carbide sintered body is 1 ~ 10 -4 Ω·cm.

또한, 본 발명은 탄화규소 원료물질 및 소결조제 원료물질을 기계적 합금화(mechanical alloying) 공정에 의해 합성 분말로 제조하는 단계; 및 상기 합성 분말을 소결하는 단계를 포함하고, 상기 소결조제는 Al-C계, Al-B-C계 및 B-C 계로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 탄화규소 소결체의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of preparing a silicon carbide raw material and a sintering aid raw material into a synthetic powder by a mechanical alloying process; and sintering the synthetic powder, wherein the sintering aid is at least one selected from the group consisting of Al-C-based, Al-B-C-based and B-C-based It provides a method of manufacturing a sintered silicon carbide body .

또한, 본 발명은 상기 탄화규소 원료물질 및 소결조제 원료물질을 기계적 합금화(mechanical alloying) 공정에 의해 합성 분말로 제조하는 단계는, 탄화규소 원료물질 및 소결조제 원료물질을 혼합하는 단계; 및 상기 탄화규소 원료물질 및 소결조제 원료물질을 포함하는 혼합물을 기계적 합금화(mechanical alloying) 공정에 의해 합성 분말로 제조하는 단계인 것을 특징으로 하는 탄화규소 소결체의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of preparing the silicon carbide raw material and the sintering aid raw material into a synthetic powder by a mechanical alloying process, mixing the silicon carbide raw material and the sintering aid raw material; And it provides a method of manufacturing a silicon carbide sintered compact, characterized in that the step of manufacturing a mixture including the silicon carbide raw material and the sintering aid raw material into a synthetic powder by a mechanical alloying (mechanical alloying) process.

또한, 본 발명은 상기 탄화 규소 원료물질은 Si 및 제1탄소원을 포함하며, 상기 소결조제 원료물질은 Al, B, 및 B4C로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 물질 및 제2탄소원을 포함하는 탄화규소 소결체의 제조방법을 제공한다.In the present invention, the silicon carbide raw material includes Si and a first carbon source, and the sintering aid raw material includes at least one material selected from the group consisting of Al, B, and B 4 C and a second carbon source. It provides a method for manufacturing a silicon carbide sintered compact.

또한, 본 발명은 상기 소결하는 단계의 소결 온도는 1550 내지 2100℃인 것을 특징으로 하는 탄화규소 소결체의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for producing a silicon carbide sintered body, characterized in that the sintering temperature of the sintering step is 1550 to 2100 ℃.

또한, 본 발명은 상기 소결조제의 함량은 2 내지 13wt%인 것을 특징으로 하는 탄화규소 소결체의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for producing a silicon carbide sintered body, characterized in that the content of the sintering aid is 2 to 13wt%.

또한, 본 발명은 Si와 Al, B, 및 B4C로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 물질과 탄소원을 기계적 합금화(mechanical alloying) 공정에 의해 합성하여, 내부에 소결조제가 분포하는 SiC계 합성 분말을 제조하는 단계; 및 상기 합성 분말을 소결하는 단계를 포함하고, 상기 소결조제는 Al-C계, Al-B-C계 및 B-C 계로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 탄화규소 소결체의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention synthesizes at least one material selected from the group consisting of Si, Al, B, and B 4 C and a carbon source by a mechanical alloying process, and a SiC-based synthesis in which a sintering aid is distributed therein. preparing a powder; and sintering the synthetic powder, wherein the sintering aid is at least one selected from the group consisting of Al-C-based, Al-BC-based and BC-based. It provides a method of manufacturing a sintered silicon carbide body .

또한, 본 발명은 상기 Si와 Al, B, 및 B4C로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 물질과 탄소원을 기계적 합금화(mechanical alloying) 공정에 의해 합성하는 단계는, Si와 Al, B, 및 B4C로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 물질과 탄소원을 혼합하는 단계; 및 상기 혼합물을 기계적 합금화(mechanical alloying) 공정에 의해 합성 분말로 제조하는 단계인 것을 특징으로 하는 탄화규소 소결체의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention provides the step of synthesizing at least one material selected from the group consisting of Si and Al, B, and B 4 C and a carbon source by a mechanical alloying process, Si and Al, B, and Mixing at least one material selected from the group consisting of B 4 C and a carbon source; And it provides a method of manufacturing a silicon carbide sintered body, characterized in that the step of manufacturing the mixture into a synthetic powder by a mechanical alloying (mechanical alloying) process.

또한, 본 발명은 상기 SiC계 합성 분말은 내부에 각각 0.5wt% 이상의 Al 및 0.1wt% 이상의 B를 포함하는 탄화규소 소결체의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for producing a silicon carbide sintered body including each of the SiC-based synthetic powder contains 0.5 wt% or more of Al and 0.1 wt% or more of B therein.

또한, 본 발명은 상기 소결하는 단계의 소결 온도는 1550 내지 2100℃인 것을 특징으로 하는 탄화규소 소결체의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for producing a silicon carbide sintered body, characterized in that the sintering temperature of the sintering step is 1550 to 2100 ℃.

또한, 본 발명은 상기 탄화규소 소결체의 비저항 값이 1 ~ 10-4Ω·㎝인 것을 특징으로 하는 탄화규소 소결체를 제공한다.In addition, the present invention provides a silicon carbide sintered body, characterized in that the specific resistance value of the silicon carbide sintered body is 1 ~ 10 -4 Ω·cm.

상기한 바와 같은 본 발명에서는, 저온에서 소결되면서도 치밀화되고, 높은 전기전도성을 갖는 탄화규소 소결체를 제조할 수 있다.In the present invention as described above, it is possible to manufacture a sintered silicon carbide body that is densified while sintered at a low temperature and has high electrical conductivity.

또한, 본 발명에서는 2 내지 13wt%의 소량의 소결조제만으로도 치밀화된 탄화규소 소결체를 확보할 수 있으며, 이로 인해 높은 강도값을 갖는 탄화규소 소결체를 제조할 수 있다.In addition, in the present invention, it is possible to secure a densified silicon carbide sintered compact with only a small amount of 2 to 13wt% of a sintering aid, thereby manufacturing a silicon carbide sintered compact having a high strength value.

도 1은 본 발명에 따른 탄화규소 소결체를 제조하는 방법을 도시한 흐름도이다.
도 2a 내지 도 2c는 다양한 조성 및 밀링 조건에서 합성된 SiC 분말의 XRD 데이터를 도시하는 그래프이다.
도 3a는 SiCAl3C1 조건에 따라 합성된 분말의 TEM 이미지이고, 도 3b는 SiCAl7C1 조건에 따라 합성된 분말의 TEM 이미지이다.
도 4는 합성된 분말의 입도 분포를 도시하는 그래프이다.
도 5는 SiCAl7C1 조건에 따라 합성된 분말의 HR-TEM(High Resolution-Transmission Electron Micrograph)이다.
도 6은 SiCAl5C1 조건에 따라 합성된 분말의 TEM 이미지이다.
도 7a는 SiCAl7C1 조건에 따라 소결된 탄화규소 분말의 TEM 이미지이고, 도 7b는 SiCAl7C1 조건에 따라 소결된 탄화규소 분말에서의 Al 원소의 EDS mapping 결과이다.
도 8a는 Al3C1 조성을 적용하여 1800℃, 20MPa의 조건에서 소결된 탄화규소 분말의 미세조직을 도시한 이미지이고, 8b는 Al12.5C1 조성을 적용하여 1650℃, 20MPa의 조건에서 소결된 시편의 미세조직을 도시한 이미지이다.
도 9는 소결조제의 함량을 증가시키면서 다양한 온도에서 소결시킨 시편들의 SEM 및 EDS 분석결과를 도시하는 도면이다.
1 is a flowchart illustrating a method for manufacturing a silicon carbide sintered body according to the present invention.
2A to 2C are graphs showing XRD data of SiC powder synthesized under various compositions and milling conditions.
Figure 3a is a TEM image of the powder synthesized according to the SiCA13C1 condition, Figure 3b is a TEM image of the powder synthesized according to the SiCAl7C1 condition.
4 is a graph showing the particle size distribution of the synthesized powder.
5 is a HR-TEM (High Resolution-Transmission Electron Micrograph) of the powder synthesized according to the SiCAL7C1 condition.
6 is a TEM image of the powder synthesized according to the SiCAl5C1 condition.
7A is a TEM image of silicon carbide powder sintered according to the SiCA17C1 condition, and FIG. 7B is an EDS mapping result of Al element in the silicon carbide powder sintered according to the SiCAI7C1 condition.
Figure 8a is an image showing the microstructure of silicon carbide powder sintered under the conditions of 1800 ° C and 20 MPa by applying the Al3C1 composition, 8b is the microstructure of the specimen sintered at 1650 ° C. and 20 MPa by applying the Al12.5C1 composition It is an image shown.
9 is a view showing the SEM and EDS analysis results of the specimens sintered at various temperatures while increasing the content of the sintering aid.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Advantages and features of the present invention and methods of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in a variety of different forms, and only these embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and common knowledge in the technical field to which the present invention belongs It is provided to fully inform the possessor of the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims.

아래 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 상세히 설명한다. 도면에 관계없이 동일한 부재번호는 동일한 구성요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.With reference to the accompanying drawings will be described in detail for the implementation of the present invention. Irrespective of the drawings, like reference numbers refer to like elements, and "and/or" includes each and every combination of one or more of the recited items.

비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.Although the first, second, etc. are used to describe various elements, these elements are not limited by these terms, of course. These terms are only used to distinguish one component from another. Accordingly, it goes without saying that the first component mentioned below may be the second component within the spirit of the present invention.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for the purpose of describing the embodiments and is not intended to limit the present invention. In this specification, the singular also includes the plural unless specifically stated otherwise in the phrase. As used herein, “comprises” and/or “comprising” does not exclude the presence or addition of one or more other components in addition to the stated components.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used herein may be used with the meaning commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. In addition, terms defined in a commonly used dictionary are not to be interpreted ideally or excessively unless clearly defined in particular.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 탄화규소 소결체를 제조하는 방법을 도시한 흐름도이다.1 is a flowchart illustrating a method for manufacturing a silicon carbide sintered body according to the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 탄화규소 소결체를 제조하는 방법은 탄화규소 원료물질 및 소결조제 원료물질을 혼합하는 단계를 포함한다(S100).Referring to FIG. 1 , the method for manufacturing a silicon carbide sintered body according to the present invention includes mixing a silicon carbide raw material and a sintering aid raw material (S100).

상기 탄화 규소 원료물질이라 함은 탄화규소를 제조하기 위한 출발물질로 이해될 수 있으며, 또한, 소결조제 원료물질이라 함은 소결조제를 제조하기 위한 출발물질로 이해될 수 있다.The silicon carbide raw material may be understood as a starting material for manufacturing silicon carbide, and the sintering aid raw material may be understood as a starting material for manufacturing a sintering aid.

또한, 상기 탄화 규소 원료물질은 Si 및 제1탄소원을 포함하며, 상기 소결조제 원료물질은 Al, B, 및 B4C로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 물질 및 제2탄소원을 포함할 수 있다.In addition, the silicon carbide raw material includes Si and a first carbon source, and the sintering aid raw material may include at least one material selected from the group consisting of Al, B, and B 4 C and a second carbon source. .

이때, 상기 제1탄소원 및 상기 제2탄소원은 그라파이트, 흑연, 카본블랙, 활성탄 등과 같은 고상의 탄소류일 수 있으며, 다만, 본 발명에서 상기 탄소원의 종류를 제한하는 것은 아니다.In this case, the first carbon source and the second carbon source may be solid carbons such as graphite, graphite, carbon black, activated carbon, etc. However, the type of the carbon source is not limited in the present invention.

다음으로, 본 발명에 따른 탄화규소 소결체를 제조하는 방법은 상기 탄화규소 원료물질 및 상기 소결조제 원료물질을 포함하는 혼합물을 기계적 합금화(mechanical alloying) 공정에 의해 합성 분말로 제조하는 단계를 포함한다(S110).Next, the method for manufacturing a silicon carbide sintered body according to the present invention includes the step of preparing a mixture including the silicon carbide raw material and the sintering aid raw material into a synthetic powder by a mechanical alloying process ( S110).

즉, 상기 탄화규소 원료물질 및 상기 소결조제 원료물질을 혼합하여 혼합물을 제조한 후, 기계적 합금화(mechanical alloying) 공정에 의해 합성 분말을 제조할 수 있다.That is, after preparing a mixture by mixing the silicon carbide raw material and the sintering aid raw material, a synthetic powder may be manufactured by a mechanical alloying process.

이때, 본 발명에서는 상기 기계적 합금화 공정을 통해, 상기 소결조제가 내부에 균일하게 분포하는 SiC계 합성 분말을 제조할 수 있다.In this case, in the present invention, through the mechanical alloying process, the SiC-based synthetic powder in which the sintering aid is uniformly distributed therein can be manufactured.

한편, 본 발명에서는 설명의 편의를 위하여, S100 단계와 S110 단계가 순차적으로 이루어지는 것으로 설명하고 있으나, 이와는 달리, S100 단계와 S110 단계가 동시에 이루어질 수 있다.Meanwhile, in the present invention, for convenience of explanation, it is described that steps S100 and S110 are sequentially performed, but, unlike this, steps S100 and S110 may be performed simultaneously.

즉, S100 단계에서의 탄화규소 원료물질 및 소결조제 원료물질 혼합공정을, 상술한 S110 단계의 기계적 합금화(mechanical alloying) 공정에 의해 합성 분말을 제조하는 단계에서 동시에 실시할 수 있다.따라서, 본 발명에서 상기 S100 단계 및 S110 단계는, 탄화규소 원료물질 및 소결조제 원료물질을 기계적 합금화(mechanical alloying) 공정에 의해, 소결조제가 내부에 균일하게 분포하는 SiC계 합성 분말로 제조하는 단계로 표현될 수 있다.That is, the mixing process of the silicon carbide raw material and the sintering aid raw material in step S100 may be simultaneously performed in the step of manufacturing the synthetic powder by the mechanical alloying process of step S110. Therefore, the present invention In the S100 and S110 steps, the silicon carbide raw material and the sintering aid raw material are manufactured into a SiC-based synthetic powder in which the sintering aid is uniformly distributed therein by a mechanical alloying process. have.

이때, 상기 기계적 합금화(mechanical alloying) 공정은 유성밀(planetary mill), 어트리션 밀(attrition mill), 스펙스 밀(Spex mill) 및 이와 유사한 원리로 작동하는 high energy ball mill을 사용할 수 있으며, 다만, 본 발명에서 상기 기계적 합금화(mechanical alloying) 공정의 종류를 제한하는 것은 아니다.In this case, the mechanical alloying process may use a planetary mill, an attrition mill, a Spex mill, and a high energy ball mill operating on a similar principle, but , the type of the mechanical alloying process is not limited in the present invention.

한편, 본 발명에서 상기 기계적 합금화(mechanical alloying) 공정에 사용되는 볼(ball) 및 자(jar)는 각각 SiC 재질의 볼(ball)과 SiC 재질의 자(jar)를 사용하는 것이 바람직하다.Meanwhile, in the present invention, it is preferable to use a ball and a jar made of SiC material and a jar made of SiC material as the balls and jars used in the mechanical alloying process, respectively.

즉, SiC 재질의 볼(ball)과 SiC 재질의 자(jar)를 사용함으로써, 밀링 공정에서 볼(ball) 및 자(jar)로부터 유입되는 불순물의 혼입을 방지할 수 있다.That is, by using a ball made of SiC and a jar made of SiC, it is possible to prevent mixing of impurities introduced from the ball and jar in the milling process.

다만, 본 발명에서 상기 볼(ball)과 자(jar)의 재질을 제한하는 것은 아니며, 예를 들어, WC 재질의 볼(ball)을 사용하는 경우에, milling 후 합성된 SiC계 분말에 WC 가 혼입되기는 하나, 이 분말을 사용한 경우에도 SiC jar 및 ball을 사용하여 합성한 분말과 유사한 저온 소결거동 및 고 전기 전도성을 나타냄을 확인하였다. However, in the present invention, the material of the ball and the jar is not limited. For example, in the case of using a ball of WC material, WC is added to the synthesized SiC-based powder after milling. Although mixed, it was confirmed that even when this powder was used, it exhibited similar low-temperature sintering behavior and high electrical conductivity to the powder synthesized using SiC jars and balls.

한편, 상기 합성 분말 제조 단계에서 예상되는 화학반응식은 다음과 같다. On the other hand, the chemical reaction formula expected in the synthetic powder manufacturing step is as follows.

Si + C → SiC (반응식1)Si + C → SiC (Scheme 1)

상기 반응식 1에 의하여, 본 발명에 따른 탄화규소가 합성되며, 이 때 높은 milling energy에 의하여 첨가된 소결조제들이 합성 된 탄화규소 내부로 비교적 균질하게 혼합되어 들어가게 된다. According to Scheme 1, silicon carbide according to the present invention is synthesized, and at this time, the sintering aids added by high milling energy are relatively homogeneously mixed into the synthesized silicon carbide.

즉, 본 발명에서는 상기 합성 분말을 제조하는 단계에 의하여, 탄화규소, 즉, SiC가 합성되고, 또한, 소결조제, 예를 들면 Al-C가, 합성된 SiC 내부로 비교적 균일하게 혼합되며, 이후의 공정인, 상기 소결조제가 혼입된 탄화규소 분말의 소결 공정에 의하여, 높은 전기 전도성을 갖는 탄화규소 소결체를 제조할 수 있다.That is, in the present invention, by the step of preparing the synthetic powder, silicon carbide, that is, SiC is synthesized, and also a sintering aid, for example, Al-C, is relatively uniformly mixed into the synthesized SiC, and then By the process of, the sintering process of the silicon carbide powder mixed with the sintering aid, a silicon carbide sintered body having high electrical conductivity can be manufactured.

한편, 상술한 바와 같이, 소결조제 원료물질은 Al, B, 및 B4C로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 물질 및 제2탄소원을 포함할 수 있으며, 따라서, 본 발명에서 소결조제는 Al-C계, Al-B-C계 및 B-C 계로 이루어지는 적어도 어느 하나에 해당하며, 예를 들어, Al-C, Al-B-C, Al-B4C-C, B-C 및/또는 B4C-C에 해당할 수 있다.On the other hand, as described above, the sintering aid raw material may include at least one material and a second carbon source selected from the group consisting of Al, B, and B 4 C. Therefore, in the present invention, the sintering aid is Al- It corresponds to at least one consisting of C-based, Al-BC-based, and BC-based, and may correspond to, for example, Al-C, Al-BC, Al-B 4 CC, BC and/or B 4 CC.

상기 소결조제는 합성된 탄화규소 분말의 내부에 비교적 균일하게 분포가 가능하며, 이때, 상기 합성 분말에서 상기 소결조제의 함량은 1.5 내지 15wt%일 수 있다.The sintering aid may be relatively uniformly distributed in the synthesized silicon carbide powder, and in this case, the content of the sintering aid in the synthetic powder may be 1.5 to 15 wt%.

즉, 본 발명에서는 탄화규소 원료물질 및 소결조제 원료물질 혼합하고, 이를 기계적 합금화(mechanical alloying) 공정에 의해 합성 분말을 제조함으로써, 탄화규소 소결체를 합성함에 있어 필요한 탄화규소와 소결조제를 제조할 수 있고, 이때, 상기 소결조제는 탄화규소 분말 내부에 비교적 균일하게 분포하도록 제조할 수 있으므로, 기존 보다 소결조제의 양을 줄이거나 더 저온 혹은 낮은 압력에서 탄화규소의 치밀화를 달성할 수 있다.That is, in the present invention, the silicon carbide raw material and the sintering aid raw material are mixed, and the synthetic powder is prepared by a mechanical alloying process. In this case, since the sintering aid can be prepared to be relatively uniformly distributed inside the silicon carbide powder, it is possible to reduce the amount of the sintering aid or achieve densification of the silicon carbide at a lower temperature or a lower pressure than before.

따라서, 상술한 바와 같이, 상기 합성 분말에서 상기 소결조제의 함량은 2 내지 13wt%로, 적은 양의 소결조제를 통해 치밀하게 소결된 탄화규소 소결체를 제조할 수 있다.Therefore, as described above, the content of the sintering aid in the synthetic powder is 2 to 13wt%, and a densely sintered silicon carbide sintered body can be manufactured through a small amount of the sintering aid.

한편, 본 발명에 따른 S100 단계 및 S110 단계는 다음과 같이 표현될 수 있다.Meanwhile, steps S100 and S110 according to the present invention may be expressed as follows.

상기에서는 설명의 편의를 위하여, S100 단계에서, 상기 제1탄소원 및 상기 제3탄소원을 각각 구분하여 설명하고 있으나, 이들을 혼합하는 경우, 하나의 탄소원에 해당할 수 있다.In the above, for convenience of explanation, in step S100, the first carbon source and the third carbon source are separately described, but when they are mixed, they may correspond to one carbon source.

따라서, 상기 S100단계는 Si와 Al, B, 및 B4C로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 물질과 탄소원을 혼합하는 단계로 표현될 수 있으며, 상기 탄소원은 그라파이트, 카본블랙, 활성탄 등과 같은 고상의 탄소류일 수 있다.Therefore, the step S100 may be expressed as a step of mixing Si and at least one material selected from the group consisting of Al, B, and B 4 C and a carbon source, and the carbon source is a solid phase such as graphite, carbon black, activated carbon, etc. It may be a carbon type of.

이 경우, 본 발명에 따른 S110 단계는 Si와 Al, B, 및 B4C로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 물질과 탄소원을 포함하는 혼합물을 기계적 합금화(mechanical alloying) 공정에 의해 합성 분말로 제조하는 단계로 표현될 수 있다.In this case, in step S110 according to the present invention, a mixture containing at least one material selected from the group consisting of Si and Al, B, and B 4 C and a carbon source is prepared as a synthetic powder by a mechanical alloying process It can be expressed in stages.

또한, 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 S100 단계과 S110 단계는 동시에 진행될 수 있으며, 이 경우, 본 발명에서 상기 S100 단계 및 S110 단계는, Si와 Al, B, 및 B4C로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 물질과 탄소원을 기계적 합금화(mechanical alloying) 공정에 의해 합성 분말로 제조하는 단계로 표현될 수 있다.In addition, as described above, step S100 and step S110 according to the present invention may be performed simultaneously, and in this case, in the present invention, step S100 and step S110 is selected from the group consisting of Si and Al, B, and B 4 C It may be expressed as a step of preparing at least one material and a carbon source to be used as a synthetic powder by a mechanical alloying process.

계속해서, 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 탄화규소 소결체를 제조하는 방법은 상기 합성 분말을 소결하는 단계를 포함한다(S120).Continuingly, referring to Figure 1, the method of manufacturing a silicon carbide sintered body according to the present invention includes the step of sintering the synthetic powder (S120).

상기 소결(Sintering)이란 분말을 원료로 사용해 만들어진 성형체를 고온에서 치밀화시키는 과정을 의미하는 것으로, 치밀화와 입자성장은 대표적인 소결현상이라고 할 수 있다. The sintering refers to a process of densifying a molded body made by using powder as a raw material at a high temperature, and densification and particle growth are representative sintering phenomena.

상기 소결(Sintering)은 치밀화가 이루어지는 기술적인 방법에 따라 상압소결(Normal Sintering), 가압소결(Pressure Sintering), 스파크 플라즈마소결(Spark Plasma Sintering) 등으로 분류될 수 있다.The sintering may be classified into normal pressure sintering, pressure sintering, spark plasma sintering, and the like according to a technical method of densification.

상압소결은 통상의 소결공정으로 성형체를 대기압의 공기 혹은 불활성 분위기의 고온에서 열처리해 치밀화하는 방법이이고, 가압소결은 소결체의 외부에서 압력을 가해 치밀화하는 방법이며, 스파크 플라즈마소결은 소결체에 압력을 가함과 동시에 고전류의 펄스를 흐르게 함으로써 저온에서 치밀화하는 방법을 의미한다.Atmospheric pressure sintering is a method of densifying the compact by heat treatment at a high temperature in atmospheric air or inert atmosphere as a normal sintering process. It refers to a method of densification at low temperature by flowing a high current pulse at the same time as it is applied.

본 발명에서 상기 합성 분말을 소결하는 단계는 상압소결(Normal Sintering)법, 가압소결(Pressure Sintering)법, 스파크 플라즈마소결(Spark Plasma Sintering)법을 이용할 수 있으며, 다만, 본 발명에서 상기 합성 분말의 소결방법을 제한하는 것은 아니다.In the present invention, the step of sintering the synthetic powder may use a normal pressure sintering method, a pressure sintering method, a spark plasma sintering method, however, in the present invention, The sintering method is not limited.

이때, 상기 소결하는 단계의 소결 온도는 1550 내지 2100℃일 수 있고, 소결 분위기는 진공, 아르곤(Ar) 및 질소 분위기일 수 있으며, 또한, 예를 들어, 스파크 플라즈마소결(spark plasma sintering)법을 이용하여 5 ~ 120분간 유지함으로써 반응을 진행할 수 있다. At this time, the sintering temperature of the sintering step may be 1550 to 2100 ℃, the sintering atmosphere may be a vacuum, argon (Ar) and nitrogen atmosphere, also, for example, spark plasma sintering (spark plasma sintering) method The reaction can proceed by maintaining it for 5 to 120 minutes.

이로써, 본 발명에 따른 탄화규소 소결체를 제조할 수 있다(S130).Thus, it is possible to manufacture the silicon carbide sintered body according to the present invention (S130).

이하에서는 본 발명에 따른 바람직한 실험예를 기재하기로 하며, 다만, 본 발명에서 상기 실험예에 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred experimental examples according to the present invention will be described, but the present invention is not limited to the above experimental examples.

[실험예][Experimental example]

먼저, 본 발명에서는 Al, Si, B4C 및 Carbon black을 원료 물질로 사용하였다. 즉, 상술한 바와 같이, 본 발명에서는 탄화 규소 원료물질은 Si 및 제1탄소원을 포함하며, 소결조제 원료물질은 Al, B, 및 B4C로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 물질 및 제2탄소원을 포함할 수 있으며, 상기 Carbon black의 일부는 상기 제1탄소원으로, 또 다른 일부는 상기 제2탄소원으로 사용될 수 있다.First, in the present invention, Al, Si, B 4 C and Carbon black were used as raw materials. That is, as described above, in the present invention, the silicon carbide raw material includes Si and the first carbon source, and the sintering aid raw material is at least one material selected from the group consisting of Al, B, and B 4 C and the second A carbon source may be included, and a portion of the carbon black may be used as the first carbon source, and another portion may be used as the second carbon source.

각 실험에 사용된 원료 물질의 조성 및 약어를 하기 표 1에 도시하였다.Compositions and abbreviations of raw materials used in each experiment are shown in Table 1 below.

Figure 112015073877484-pat00001
Figure 112015073877484-pat00001

상기 표 1에서 예를 들어 "Al3"는 SiC의 합성을 위해 Si:C의 비율은 1:1로 고정한 채, 소결 조제로 Al:Si:C의 몰 비를 화합물인 Al4SiC4와 동일한 비율인 4:1:4로 하여 그 양을 3wt%로 조절하였음을 의미하고, "Al5C1"에서 "Al5"는 SiC의 합성을 위해 Si:C의 비율은 1:1로 고정한 채, 소결 조제로 Al:Si:C의 몰 비를 4:1:4로 하여 그 양을 5wt%로 조절하였으며 “C1”은 1wt%의 excess carbon이 추가로 포함됨을 의미하며, "B1C1"는 SiC의 합성을 위해 Si:C의 비율은 1:1로 고정한 채, 소결 조제로 B4C 및 C의 양을 각각 1wt% 씩 추가하였음을 의미한다.In Table 1, for example, "Al3" is the ratio of Al:Si:C as a sintering aid while the ratio of Si:C is fixed to 1:1 for the synthesis of SiC, and the molar ratio of Al:Si:C is the same as that of the compound Al 4 SiC 4 Phosphorus was 4:1:4, meaning that the amount was adjusted to 3wt%, and "Al5C1" in "Al5" are Al as a sintering aid while the ratio of Si:C is fixed at 1:1 for the synthesis of SiC. The molar ratio of :Si:C was 4:1:4 and the amount was adjusted to 5wt%. “C1” means that 1wt% of excess carbon is additionally included, and “B1C1” means Si for the synthesis of SiC. While the ratio of :C was fixed at 1:1, it means that the amounts of B 4 C and C were added by 1wt% each as a sintering aid.

따라서 Al2C1 조성의 경우 실제 조제 함량은 2.17wt% 이고 Al20C1 조성의 경우 조제 함량은 12.73wt% 이다.Therefore, in the case of the Al2C1 composition, the actual auxiliary content is 2.17 wt%, and in the case of the Al20C1 composition, the auxiliary content is 12.73 wt%.

한편, 첨가된 소결조제 중 SiC의 양을 제외한 Al, C 및 B4C의 양을 별도로 표시하였다.Meanwhile, the amounts of Al, C and B 4 C excluding the amount of SiC among the added sintering aids were separately indicated.

다음으로, 상술한 바와 같은 원료 조성의 혼합물을 기계적 합금화 공정에 의해 합성 분말을 제조하였으며, 구체적으로, 오염을 최소화하기 위하여 SiC jar와 SiC ball을 이용하는 유성밀을 사용하여 360rpm 및 400rpm으로 72시간 동안 혼합하여 주었다. 이때, 볼 대 상기 원료 조성 파우더의 비율은 1:6.67로 하였으며, 밀링 공정 도중의 분말의 산화를 막기 위하여, 유성밀에 사용되는 jar는 Ar 분위기의 글러브 박스에서 밀봉되었다. 또한, 합성된 분말은 Ar 분위기의 글러브 박스 내부에서 150메쉬의 체를 이용하여 걸러졌다. Next, the mixture of the raw material composition as described above was prepared as a synthetic powder by a mechanical alloying process. Specifically, in order to minimize contamination, a planetary mill using a SiC jar and a SiC ball was used at 360 rpm and 400 rpm for 72 hours. was mixed. At this time, the ratio of the balls to the raw material composition powder was 1:6.67, and in order to prevent oxidation of the powder during the milling process, the jar used in the planetary mill was sealed in a glove box in an Ar atmosphere. In addition, the synthesized powder was filtered using a 150 mesh sieve inside the glove box of Ar atmosphere.

이하에서는 기계적 합금화 공정에 의해 제조된 합성 분말의 특성을 설명하기로 한다.Hereinafter, the characteristics of the synthetic powder prepared by the mechanical alloying process will be described.

밀링 공정 도중 ball 및 jar로부터의 오염도를 실험 전 및 후 ball의 질량변화를 조사 및 계산하여 하기 표 2에 도시하였다.The degree of contamination from the balls and jars during the milling process is shown in Table 2 below by investigating and calculating the change in the mass of the balls before and after the experiment.

약어Abbreviation rpmrpm ball 오염도ball contamination SiC(%)SiC (%) Al(%)Al (%) SiCAl3C1SiCAL3C1 360360 1.931.93 0.190.19 400400 6.76.7 0.670.67 SiCAl7C1SiCAL7C1 360360 2.62.6 0.260.26 400400 6.36.3 0.630.63

상기 표 2를 참조하면, EDS 분석 결과 상용 SiC ball에는 Al이 포함되어 있으며 그 함량은 약 10wt%임을 알 수 있었다. 따라서 milling 도중 첨가된 Al의 오염량은 유성밀의 회전수가 360rpm인 경우 약 0.2 내지 0.3wt%로 비교적 낮게 나타났으나, 400rpm일 때에는 약 0.6 내지 0.7wt%로 오염이 증가함을 알 수 있었다. 한편, Jar는 반응소결 SiC(reaction-bonded Silicon Carbide, RBSC)로, jar로부터의 Al오염은 거의 발생하지 않았다.Referring to Table 2, as a result of EDS analysis, it was found that the commercial SiC ball contained Al, and its content was about 10 wt%. Therefore, the amount of contamination of Al added during milling was relatively low at about 0.2 to 0.3 wt% when the rotation speed of the planetary mill was 360 rpm, but it was found that the contamination increased to about 0.6 to 0.7 wt% at 400 rpm. On the other hand, the jar is reaction-bonded silicon carbide (RBSC), and there is almost no Al contamination from the jar.

또한, 합성된 분말의 상을 분석하기 위해 X-선 회절분석기를 이용하여 Cu Ka조건으로 측정하였고, 분말의 미세구조 및 화학적 조성은 EDS가 부착된 고배율 투과전자현미경(TEM)을 사용하여 관찰하였다. In addition, in order to analyze the phase of the synthesized powder, it was measured under Cu Ka conditions using an X-ray diffraction analyzer, and the microstructure and chemical composition of the powder were observed using a high magnification transmission electron microscope (TEM) with EDS attached. .

또한, 합성된 분말의 입도 분포는 입도분석기를 이용하여 측정하였고, 분말 내부에 존재하는 결정립의 평균크기는 image analyzer(nano measurer)를 이용하여 측정하였다.In addition, the particle size distribution of the synthesized powder was measured using a particle size analyzer, and the average size of crystal grains present in the powder was measured using an image analyzer (nano measurer).

도 2a 내지 도 2c는 다양한 조성 및 밀링 조건에서 합성된 SiC 분말의 XRD 데이터를 도시하는 그래프이다.2A to 2C are graphs showing XRD data of SiC powder synthesized under various compositions and milling conditions.

도 2a 내지 도 2c에서 예를 들어, Al3C1_360rpm은 Al4SiC4 조성을 갖는 Al-Si-C 소결 조제의 양을 3wt%, 탄소 소결조제의 양을 1wt%로 조절하고, 밀링 공정에서의 rpm을 360으로 제어했음을 의미하고, Al5C1_400rpm은 Al4SiC4 조성을 갖는 Al-Si-C 소결 조제의 양을 5wt%, 탄소 소결조제의 양을 1wt%로 조절하고 밀링 공정에서의 rpm을 400으로 제어했음을 의미한다.2a to 2c, for example, Al3C1_360rpm is 3wt% of the Al-Si-C sintering aid having the Al 4 SiC 4 composition, the amount of the carbon sintering aid is 1 wt%, and the rpm in the milling process is 360 Al5C1_400rpm means that the amount of Al-Si-C sintering aid having an Al 4 SiC 4 composition was adjusted to 5 wt%, the amount of carbon sintering aid was adjusted to 1 wt%, and the rpm in the milling process was controlled to 400 .

도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 소결조제 함량을 3 내지 7wt%로 변화시키거나 excess carbon인 제3탄소원의 함량을 0.5 및 1wt%로 증가시킨 경우, 또한, 밀링 공정에서의 rpm을 360 내지 400으로 변화시킨 경우에도 XRD data에서는 큰 차이를 발견할 수 없었으며, 모든 분말이 잔류 Si, Al 및 C 없이 ß-SiC (3C-SiC)로만 구성되어 있음을 확인할 수 있었다. 2a to 2c, when the content of the sintering aid is changed to 3 to 7wt% or the content of the third carbon source, which is excess carbon, is increased to 0.5 and 1wt%, in addition, the rpm in the milling process is 360 to 400 No significant difference was found in the XRD data even when the powder was changed to

Si와 C가 기계적 합금화(Mechanical alloying)를 통해 SiC로 합성되는 메커니즘은 C원자가 직접적으로 Si의 자리를 대신하여 C를 포함하고 있는 비정질(amorphous)의 Si 형태로 존재하다가, 밀링 공정이 진행되면서 입자가 미세해지고, 화학적으로 액티브한 defect sites가 증가하게 되면서 SiC를 형성하게 된다. The mechanism in which Si and C are synthesized into SiC through mechanical alloying is that the C atom directly replaces the Si site and exists in the form of amorphous Si containing C. As the milling process proceeds, the particles becomes finer, and chemically active defect sites increase to form SiC.

XRD 분석결과 Al, B4C 및 carbon 피크가 보이지 않는데, 이는 high energy milling으로 인해서 그 성분이 SiC 내부에 균일하게 분포하였기 때문으로 판단된다.As a result of XRD analysis, Al, B 4 C and carbon peaks were not seen, which is thought to be because the components were uniformly distributed in SiC due to high energy milling.

또한, SiC ball과 SiC jar를 이용했기 때문에 오염으로 인한 다른 이차상은 보이지 않았다. SiC 피크는 broad한 형태를 띠고 있는데, 이는 high energy milling을 통해 crystallite size가 많이 감소했기 때문이다. Sherrer식을 이용하여 360 및 400rpm으로 합성된 분말의 crystallite size를 계산한 결과 각각 17.6 및 12.7nm였다. In addition, since SiC balls and SiC jars were used, other secondary phases due to contamination were not observed. The SiC peak has a broad shape, because the crystallite size was greatly reduced through high energy milling. As a result of calculating the crystallite size of the powder synthesized at 360 and 400 rpm using Sherrer's formula, it was 17.6 and 12.7 nm, respectively.

또한, Al12.5C1 조성까지는 소결조제 양의 증가에 따른 분말 특성의 변화가 크게 관찰되지 않았으나 Al15C1 조성의 경우 분말 응집이 관찰되었고 특히 Al20C1 조성의 경우 milling 후 분말간의 응집이 매우 강하게 발생하여 후속 공정에 어려움이 나타났다. 그러나 얻어진 분말의 소결 결과 조제의 함량이 증가할수록 1550℃에서의 소결밀도는 증가하였다. 따라서 본 발명에서 Al-Si-C계 소결조제의 양을 20wt% 이하로, 즉 전체 소결조제의 양을 13wt% 이하로 하는 것이 바람직하다.In addition, until the Al12.5C1 composition, no significant change in powder properties was observed with the increase in the amount of sintering aid, but in the case of the Al15C1 composition, powder agglomeration was observed. difficulties appeared. However, as the result of sintering the obtained powder, the sintering density at 1550° C. increased as the content of the auxiliary increased. Therefore, in the present invention, it is preferable that the amount of the Al-Si-C-based sintering aid is 20 wt% or less, that is, the amount of the total sintering aid is 13 wt% or less.

도 3a는 SiCAl3C1 조건에 따라 합성된 분말의 TEM 이미지이고, 도 3b는 SiCAl7C1 조건에 따라 합성된 분말의 TEM 이미지이다.3a is a TEM image of the powder synthesized according to the SiCAl3C1 condition, and FIG. 3b is a TEM image of the powder synthesized according to the SiCAl7C1 condition.

도 3a 및 도 3b를 참조하면, 입자는 구형으로, 10 내지 20nm의 Primary SiC particle과 amorphous 상태의 Si-C 상들이 뭉쳐 particle size가 약 100nm 내외로 구성되어 있었다. 이러한 응집은 high energy ball milling 도중의 cold welding 때문으로 생각된다. 또한 분말 내부에 어두운 점과 같이 형성된 부분은 SiC가 부분적으로 결정화되었다는 것을 보여준다. 이때, Al3C1과 Al7C1 조성으로 Al 함량을 변화시켜 줄 경우 입자 크기 차이는 관찰되지 않았다.Referring to FIGS. 3A and 3B , the particles were spherical, and the primary SiC particles of 10 to 20 nm and Si-C phases in an amorphous state were agglomerated to have a particle size of about 100 nm. This agglomeration is thought to be due to cold welding during high energy ball milling. In addition, the areas formed as dark spots inside the powder indicate that the SiC was partially crystallized. At this time, when the Al content was changed with the Al3C1 and Al7C1 compositions, no difference in particle size was observed.

도 4는 합성된 분말의 입도 분포를 도시하는 그래프이다.4 is a graph showing the particle size distribution of the synthesized powder.

도 4를 참조하면, 100 내지 200nm 영역의 1차 peak와 1㎛ 내외의 2차 peak가 존재하는 bimodal 형태가 나타났는데, SEM 및 TEM 관찰 결과 1㎛ 내외의 peak는 더 작은 입자들의 응집으로 형성된 것을 알 수 있었으며 대부분의 입자 크기는 300nm 이하임을 알 수 있었다.Referring to FIG. 4 , a bimodal form in which a primary peak in the region of 100 to 200 nm and a secondary peak around 1 μm exist was shown. It was found that most of the particle sizes were less than 300 nm.

도 5는 SiCAl7C1 조건에 따라 합성된 분말의 HR-TEM(High Resolution-Transmission Electron Micrograph)이다.5 is a HR-TEM (High Resolution-Transmission Electron Micrograph) of the powder synthesized according to the SiCAL7C1 condition.

도 5를 참조하면, 비정질의 Si 및 C 기지상 내부에 결정화된 SiC 입자를 확인할 수 있다. 결정화된 입자의 크기가 2nm정도로 매우 작은 입자도 관찰되었다. 또한, 100nm 내외의 크기인 입자의 표면은 amorphous 상태로 존재하는 것을 알 수 있었다. 표면의 amorphous 상으로 인해서 높은 소결 구동력과 확산 속도를 갖으며 반응 계면이 증가하였는데 이는 SiC의 저온소결을 촉진시킬 수 있다. Referring to FIG. 5 , it can be seen that SiC particles crystallized inside the amorphous Si and C matrix phases. Particles as small as 2 nm in size of crystallized particles were also observed. In addition, it was found that the surface of the particles having a size of about 100 nm exists in an amorphous state. Due to the amorphous phase on the surface, the reaction interface increased with high sintering driving force and diffusion rate, which can promote low-temperature sintering of SiC.

도 6은 SiCAl5C1 조건에 따라 합성된 분말의 TEM 이미지이고, 하기 표 3은 도 6의 포인트에 따른 원소 함량을 나타낸다.6 is a TEM image of the powder synthesized according to the SiCAl5C1 condition, and Table 3 below shows the element content according to the points in FIG.

포인트point 원소 함량 (wt%)Elemental content (wt%) CC OO AlAl SiSi 003003 37.337.3 1.571.57 1.941.94 59.259.2 004004 40.2440.24 2.482.48 1.831.83 55.4455.44 005005 29.9129.91 2.282.28 1.691.69 66.1266.12 006006 42.8842.88 3.933.93 2.172.17 51.0151.01

도 6 및 표 3을 참조하면, Al5C1 조건에 따라 합성된 다양한 분말에서 측정된 Al의 원소 함량은, 다양한 분말 간에 Al의 함량 편차가 크게 나타나지 않음을 알 수 있다. 소결조제가 분말 내부에 균일하게 분포할 경우 분말의 소결특성이 향상됨은 잘 알려져 있다. Sol-gel 법 또는 공침법으로 산화물 분말을 만들 때, 소결조제가 산화물 분말 안에 균일하게 분포하게 만들어 줄 경우 분말과 소결조제를 따로 합성하여 나중에 혼합해 준 경우에 비하여 더 낮은 온도에서 치밀화가 완료됨이 보고되고 있다.Referring to FIG. 6 and Table 3, it can be seen that, in the element content of Al measured in various powders synthesized according to the Al5C1 condition, there is no significant deviation in the Al content between the various powders. It is well known that the sintering properties of the powder are improved when the sintering aid is uniformly distributed inside the powder. When making oxide powder by sol-gel method or co-precipitation method, if the sintering aid is uniformly distributed in the oxide powder, densification is completed at a lower temperature than when the powder and sintering aid are separately synthesized and mixed later. this is being reported

SiC 내부에 Al 및 B의 고용 한계는 각각 0.5wt% 및 0.1wt% 로 알려져 있으나 상기 방법으로 합성된 SiC 분말은 도 6 및 표 1과 같이 그 내부에 고용 한계 이상의 Al 및 B를 포함 할 수 있으며, 이는 본 발명의 주요 특징 중 하나라고 할 수 있다. It is known that the solubility limit of Al and B in SiC is 0.5wt% and 0.1wt%, respectively, but the SiC powder synthesized by the above method may contain Al and B above the solidsolution limit therein as shown in FIG. 6 and Table 1, , which can be said to be one of the main features of the present invention.

따라서, 본 발명에서는 이러한 SiC 분말 내부에 존재하는 높은 Al 및 B 함량에 의해, 소량의 소결 조제 첨가로도 저온에서 우수한 소결 특성을 나타내며 높은 전기 전도성을 갖게 된다.Therefore, in the present invention, due to the high Al and B content present in the SiC powder, it exhibits excellent sintering properties at low temperature even with a small amount of sintering aid and has high electrical conductivity.

이상과 같은 합성 분말을 통해, 다음의 소결 공정을 진행하였다.Through the synthetic powder as described above, the following sintering process was performed.

즉, 상기 합성 분말을 소결하기 위하여, 각 조성의 합성된 분말을 그라파이트 몰드에 넣고 스파크 플라즈마소결(Spark Plasma Sintering)법(승온 속도 100℃/min)을 이용하여 1기압의 Ar분위기에서 20MPa~40MPa 일축 압력하에 1550 내지 2100℃의 온도에서 30분간 소결하였다. That is, in order to sinter the synthetic powder, the synthesized powder of each composition is put in a graphite mold and using a spark plasma sintering method (temperature increase rate of 100° C./min) in an Ar atmosphere of 1 atm 20 MPa to 40 MPa It was sintered for 30 minutes at a temperature of 1550 to 2100 °C under uniaxial pressure.

이하에서는 소결 공정을 통해 제조된 탄화규소 소결체 분말의 특성을 설명하기로 한다.Hereinafter, characteristics of the silicon carbide sintered powder produced through the sintering process will be described.

탄화규소 소결체 시편의 밀도는 아르키메데스 법을 이용하여 구했으며, 시편의 이론밀도는 rule of mixture 이용해 구한 다음, 상대밀도를 구하였다. The density of the silicon carbide sintered specimen was obtained using the Archimedes method, and the theoretical density of the specimen was obtained using the rule of mixture, and then the relative density was obtained.

또한, 탄화규소 소결체의 미세구조는 주사전사현미경 (SEM)을 사용하여 관찰하였다. 미세구조를 나타내기 위하여 1㎛까지 소결체 표면을 polishing 하였다. 강도 측정을 위하여 시편은 1.5×2×25mm의 bar 형태로 가공한 후 4점 곡강도기를 이용하여 6개의 시편을 이용하여 강도를 측정하였다.In addition, the microstructure of the silicon carbide sintered body was observed using a scanning electron microscope (SEM). The surface of the sintered body was polished down to 1 μm to reveal the microstructure. For strength measurement, the specimen was processed into a bar shape of 1.5 × 2 × 25 mm, and then the strength was measured using six specimens using a four-point bending strength machine.

하기 표 4는 다양한 조성 및 소결 조건에서 치밀화된 시편의 상대밀도를 나타내고 있다.Table 4 below shows the relative densities of the densified specimens under various compositions and sintering conditions.

압력 및 시간 표시가 없는 경우 20MPa, 30분의 압력 및 유지시간으로 소결되었으며 그 이외의 압력 및 유지시간 조건 하에서 소결된 경우 별도로 표기하여 주었다.If there is no indication of pressure and time, sintering was performed at a pressure and holding time of 20 MPa and 30 minutes.

Figure 112015073877484-pat00002
Figure 112015073877484-pat00002

상기 표 4를 참조하면, Al4SiC4 조성 기준으로 3, 5, 7, 10 및 12.5wt% 첨가되고 excess carbon이 1wt% 추가로 첨가된 조성의 경우, 20MPa의 가압 조건으로 소결 시 가장 높은 소결밀도를 나타내는 온도는 각각 1800, 1750, 1650, 1650 및 1600℃였다. 이 보다 소결온도가 낮을 경우 치밀화가 완전히 일어나지 못하고 소결온도가 높을 경우 과소결에 의한 입성장으로 다시 밀도가 감소하는 현상이 관찰되었다. Al의 함량이 0.59wt% 이하인 경우 소결온도, 압력 및 유지시간을 2100℃, 40MPa 및 2시간으로 증가시켜도 치밀한 소결체를 얻을 수 없었다. 반면 Al12.5C1 조성의 경우 소결 압력을 20MPa에서 40MPa로, 유지시간을 30분에서 4시간으로 증가시킨 결과 1550℃에서 치밀한 소결체를 얻을 수 있었다.Referring to Table 4, in the case of a composition in which 3, 5, 7, 10 and 12.5 wt% of Al 4 SiC 4 is added and 1 wt% of excess carbon is additionally added based on the Al 4 SiC 4 composition, the highest sintering occurs when sintering under a pressure of 20 MPa. The temperatures representing the density were 1800, 1750, 1650, 1650 and 1600° C., respectively. When the sintering temperature is lower than this, densification does not completely occur, and when the sintering temperature is high, a phenomenon in which the density decreases again due to grain growth due to oversintering was observed. When the Al content was 0.59 wt% or less, a dense sintered body could not be obtained even when the sintering temperature, pressure, and holding time were increased to 2100° C., 40 MPa, and 2 hours. On the other hand, in the case of Al12.5C1 composition, as the sintering pressure was increased from 20 MPa to 40 MPa and the holding time was increased from 30 minutes to 4 hours, a dense sintered body was obtained at 1550°C.

Al12.5C1, Al15C1 및 Al20C1 조성의 경우 1550oC, 20MPa 소결 후 상대밀도가 78.0, 83.4 및 90.4%로 지속적으로 증가하였으며 이로부터 본 발명에 의한 소결 촉진 효과는 소결조제의 총량이 12.73wt% 첨가된 Al20C1 조성까지도 유효함을 알 수 있었다.In the case of Al12.5C1, Al15C1 and Al20C1 compositions, the relative densities continuously increased to 78.0, 83.4 and 90.4% after sintering at 1550 oC and 20 MPa. Even the composition was found to be effective.

고온 소결은 공정 단가를 증가시키나 뒤에 설명하는 바와 같이 고온에서의 소결은 시편의 전기 전도도를 크게 향상시킬 수 있다. 20MPa의 가압 조건에서는 1550℃ 이하에서는 치밀한 소결체를 얻을 수 없었으며 2100℃ 이상에서는 대량생산에 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명에서 상기 소결 단계에서의 소결온도는 20MPa의 가압소결 조건일 경우 1550 내지 2100℃인 것으로 임계적 의의를 갖는다. 그러나 최저 소결온도는 소결 압력을 증가시킴에 따라 감소할 수 있음은 자명하다. High temperature sintering increases the process cost, but as will be described later, sintering at high temperature can significantly improve the electrical conductivity of the specimen. Under the pressurization condition of 20 MPa, a dense sintered body could not be obtained at 1550°C or lower, and problems in mass production could occur at 2100°C or higher. Accordingly, in the present invention, the sintering temperature in the sintering step is 1550 to 2100° C. under the pressure sintering condition of 20 MPa, which has a critical significance. However, it is self-evident that the minimum sintering temperature can be decreased as the sintering pressure is increased.

또한, Al4SiC4 기준으로 소결조제의 양을 3wt%로 고정하고 excess carbon의 함량을 0, 0.5 및 1wt%로 증가시킬 경우 상대밀도는 94.5, 94.5 및 96.1%로, 1wt%의 excess carbon이 SiC의 소결을 추가적으로 촉진시킴을 알 수 있었다. 이는 excess carbon의 첨가가 SiC 분말 표면의 SiO2를 제거하기 때문으로 생각된다. Excess carbon이 2wt% 들어간 Al5C2 조성의 경우 1wt% 첨가된 Al5C1 조성보다 상대밀도가 낮게 나타났으며, 이보다 excess carbon의 양이 증가 할 경우 소결성이 크게 감소하였다. 따라서, 본 발명에서는 상기 혼합물은 excess carbon을 0.5 내지 2wt%의 범위로 포함하는 것이 바람직하다. 한편, 3 ~ 5%의 수축이 일어나는 초기 소결 단계는, high energy ball milling으로 인해 심하게 왜곡되고, 분쇄된 수십 nm 크기의 미세입자들이 rotation과 rearrangement되는 단계이다. 또한, 초기 소결 단계에서의 입자 재배열이 mass transport를 통한 중기 소결과 말기 소결 모두에 영향을 미치기 때문에, 초기 소결 단계가 매우 중요할 것으로 생각된다. 360rpm과 400rpm에서 합성된 분말의 소결성을 비교해본 결과, 20MPa의 압력 조건에서 360rpm에서 합성한 분말의 소결 온도가 약 50℃ 정도 낮게 나타났다. 밀링 공정에서의 rpm이 360rpm 보다 낮을 경우 3일 밀링 후에도 잔류 Si가 존재함을 XRD 분석으로부터 알 수 있었으며, 따라서, 본 조건에서는 360rpm으로 3일 밀링하는 것이 최적의 합성조건임을 알 수 있었다. 다만, 본 발명에서 상기 밀링 공정에서의 rpm 및 milling 시간을 제한하는 것은 아니며, milling 후 잔류 Si가 존재하지 않거나 소량 존재하는 공정 조건을 범위로 포함하는 것이 바람직하다.In addition, when the amount of sintering aid is fixed to 3 wt% based on Al 4 SiC 4 and the content of excess carbon is increased to 0, 0.5 and 1 wt%, the relative densities are 94.5, 94.5 and 96.1%, and 1 wt% of excess carbon is It was found that the sintering of SiC was further promoted. This is thought to be because the addition of excess carbon removes SiO 2 on the surface of the SiC powder. In the case of Al5C2 composition containing 2wt% of excess carbon, the relative density was lower than that of Al5C1 composition containing 1wt% of excess carbon. Therefore, in the present invention, the mixture preferably contains excess carbon in the range of 0.5 to 2 wt%. On the other hand, the initial sintering stage, in which 3 to 5% shrinkage occurs, is a stage in which fine particles with a size of several tens of nm that are severely distorted and pulverized due to high energy ball milling are rotated and rearranged. In addition, since the rearrangement of particles in the initial sintering stage affects both mid-term and late sintering through mass transport, the initial sintering stage is considered to be very important. As a result of comparing the sintering properties of the powder synthesized at 360 rpm and 400 rpm, the sintering temperature of the powder synthesized at 360 rpm under the pressure condition of 20 MPa was about 50°C lower. When the rpm in the milling process is lower than 360 rpm, it can be seen from XRD analysis that residual Si is present even after 3 days of milling. However, in the present invention, the rpm and milling time in the milling process are not limited, and it is preferable to include process conditions in which residual Si is not present or a small amount is present after milling as a range.

도 7a는 SiCAl7C1 조건에 따라 합성된 탄화규소 분말의 TEM 이미지이고, 도 7b는 SiCAl7C1 조건에 따라 합성된 탄화규소 분말에서의 Al 원소의 EDS mapping 결과이다.7A is a TEM image of silicon carbide powder synthesized according to the SiCA17C1 condition, and FIG. 7B is an EDS mapping result of Al element in the silicon carbide powder synthesized according to the SiCAI7C1 condition.

도 7a 및 도 7b를 참조하면, SiC 분말 내부에 소결조제인 Al이 매우 고르게 퍼져있는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIGS. 7A and 7B , it can be seen that Al, which is a sintering aid, is spread very evenly inside the SiC powder.

또한, 표 1을 참조하면, 기계적 합금화(Mechanical alloying)을 통하여 얻은 매우 미세한 분말과 아몰퍼스 상태의 Si-C 형성과 더불어 소결조제의 매우 균일한 분포를 통하여, 1650℃-20MPa의 소결 조건에서 5wt% 내외의 Al 및 C 소결 조제만을 사용하여도 상대밀도 97% 이상의 치밀화 된 SiC 소결체를 얻을 수 있었다. In addition, referring to Table 1, through the very uniform distribution of the sintering aid along with the formation of very fine powder and amorphous Si-C obtained through mechanical alloying, 5wt% at 1650℃-20MPa sintering conditions It was possible to obtain a densified SiC sintered compact with a relative density of 97% or more using only the inner and outer Al and C sintering aids.

도 8a는 Al3C1 조성을 적용하여 1800℃, 20MPa의 조건에서 소결된 탄화규소 분말의 미세조직을 도시한 이미지이고, 8b는 Al12.5C1 조성을 적용하여 1650℃, 20MPa의 조건에서 소결된 시편의 미세조직을 도시한 이미지이다.Figure 8a is an image showing the microstructure of silicon carbide powder sintered under the conditions of 1800 ° C and 20 MPa by applying the Al3C1 composition, 8b is the microstructure of the specimen sintered at 1650 ° C. and 20 MPa by applying the Al12.5C1 composition It is an image shown.

먼저, 도 8a를 참조하면, 3wt%의 Si4AlC4 조성 및 1wt%의 C를 소결조제로 포함하는 경우, 1800℃ 비교적 저온에서도 소결이 진행되는데, 그 결과 치밀한 SiC의 grain 크기는 3㎛ 내외로 관찰 되었다. 도 8b에서 소결조제의 양을 12.5wt%의 Si4AlC4 조성 및 1wt%의 C로 증가시키고 1650℃에서도 치밀화 시킨 경우 낮은 소결온도에 의하여 grain의 크기가 0.5㎛로 감소하였다.First, referring to FIG. 8a, when 3wt% of Si 4 AlC 4 composition and 1 wt% of C are included as a sintering aid, sintering proceeds even at a relatively low temperature of 1800° C. As a result, the dense SiC grain size is about 3 μm. was observed as In FIG. 8b , when the amount of the sintering aid was increased to 12.5 wt% of Si 4 AlC 4 composition and 1 wt% of C and densified at 1650° C., the grain size was reduced to 0.5 μm due to the low sintering temperature.

소결 시 Al은 SiC 내부에 고용되어 β-SiC에서 α-SiC로의 상변화를 촉진하며 동시에 높은 장경비를 갖는 판상의 입성장을 촉진하는 것으로 알려져 있다. It is known that during sintering, Al is dissolved in SiC to promote a phase change from β-SiC to α-SiC and at the same time promote grain growth in a plate shape with a high ratio.

한편, Al3C1 조성의 분말을 1800℃-20MPa의 조건으로 30min간 소결하여 얻은 시편의 4점 곡강도 값은 651MPa로 본 말명을 통하여 비교적 저온에서 소결된 SiC는 우수한 기계적 강도 값을 나타냄을 알 수 있었으며, 이 경우 시편에 첨가된 소결조제의 양은 약 1.8wt%의 Al과 1wt%의 C 등 총 2.8wt%이다.On the other hand, the 4-point flexural strength value of the specimen obtained by sintering Al3C1 powder under the condition of 1800℃-20MPa for 30min was 651MPa. In this case, the amount of sintering aid added to the specimen is about 2.8 wt% of Al and 1 wt% of C, etc.

즉, 표 1을 참조하면, 본 발명의 결과 2.8wt%의 소량의 소결조제만을 사용하여서도(표 1의 Al3C1 조건), 1800℃, 20MPa의 비교적 저온의 조건에서도 상대밀도가 97.6%에 달하여, 치밀화된 탄화규소 소결체를 확보할 수 있었으며, 그 결과 얻어진 시편은 651MPa의 높은 강도값을 나타내었다. That is, referring to Table 1, as a result of the present invention, even using only a small amount of sintering aid of 2.8wt% (Al3C1 condition in Table 1), even at a relatively low temperature condition of 1800℃, 20MPa, the relative density reached 97.6%, A densified silicon carbide sintered compact could be obtained, and the resultant specimen exhibited a high strength value of 651 MPa.

또한, 소결조제의 총량을 5.1wt%로 증가시킨 경우(표 1의 Al7C1), 1650℃, 20MPa의 저온 소결 조건에서도 상대밀도가 97.0%에 달하여, 치밀화된 탄화규소 소결체를 확보할 수 있었다.In addition, when the total amount of the sintering aid was increased to 5.1 wt% (Al7C1 in Table 1), the relative density reached 97.0% even under the low-temperature sintering conditions of 1650° C. and 20 MPa, thereby securing a densified silicon carbide sintered body.

이상과 같이, 본 발명에서는 2 내지 5wt%의 비교적 소량의 소결조제를 사용하면서도 저온에서 소결되며 치밀화된 탄화규소 소결체를 제조할 수 있으며, 이로 인해 높은 강도값을 갖는 탄화규소 소결체를 제조할 수 있다.As described above, in the present invention, it is possible to manufacture a silicon carbide sintered compact sintered at a low temperature and densified while using a relatively small amount of sintering aid of 2 to 5 wt%, thereby producing a silicon carbide sintered compact having a high strength value. .

도 9는 소결조제의 함량을 증가시키면서 다양한 온도에서 소결시킨 시편들의 SEM 및 EDS 분석결과를 도시하는 도면이다. 이때, 도 9a는 Al3C1 시편(1800℃-20MPa, 30min)의 결과이고, 도 9b는 Al5C1 시편(1750℃-20MPa, 30min)의 결과이며, 도 9c는 Al7C1 시편(1650℃-20MPa, 30min)의 결과이고, 도 9d는 Al12.5C1 시편(1600℃-20MPa, 30min)의 결과이다.9 is a view showing the SEM and EDS analysis results of the specimens sintered at various temperatures while increasing the content of the sintering aid. At this time, Figure 9a is the result of the Al3C1 specimen (1800 ℃-20MPa, 30min), Figure 9b is the result of the Al5C1 specimen (1750 ℃-20MPa, 30min), Figure 9c is the Al7C1 specimen (1650 ℃-20MPa, 30min) The results, and Figure 9d is the result of the Al12.5C1 specimen (1600 ℃ -20 MPa, 30 min).

원료 분말에 포함된 Al의 함량이 1.76, 2.93, 4.1 및 7.33 wt% 인 경우 EDS로 분석된 소결된 SiC grain 내부에 존재하는 Al의 함량은 소결 도중 일부가 확산에 의해 grain boundary 등에 편석 되면서 원래 분말에 포함 된 Al의 함량보다는 감소하였으나 각각 0.97, 1.55, 2.58 및 4.38wt%로 모든 경우 SiC grain 내부에 고용 한계인 0.5wt% 보다 높은 함량의 Al이 존재함을 알 수 있었다.When the Al content in the raw material powder is 1.76, 2.93, 4.1 and 7.33 wt%, the Al content in the sintered SiC grain analyzed by EDS is partially segregated into the grain boundary by diffusion during sintering and the original powder Although the content of Al was decreased, it was 0.97, 1.55, 2.58 and 4.38 wt%, respectively.

SiC grain 내부에 고용한계로 0.5wt%의 Al이 포함될 수 있음은 하기 문헌을 참조할 수 있다. The following literature may be referred to that 0.5 wt% of Al may be included as a solid solution limit in the SiC grain.

- Tana, H., Tajima, Y. and Kingery, W. D., Solid solubility of aluminum and boron in silicon carbide. Commun. Am. Ceram. Soc., 1982, 65(2), C-27–C-29.- Tana, H., Tajima, Y. and Kingery, W. D., Solid solubility of aluminum and boron in silicon carbide. Commun. Am. Ceram. Soc., 1982, 65(2), C-27–C-29.

이렇듯 본 발명의 결과로 제조된 높은 Al 및 B 함량을 갖는 분말을 소결할 경우 소결체 내부에 존재하는 grain에도 원래의 고용 한계 값 보다 높은 Al 및 B가 존재하게 되는데 이는 본 발명의 주요 특징에 해당한다.As such, when the powder having a high Al and B content produced as a result of the present invention is sintered, Al and B higher than the original solid solution limit value are present even in the grains present in the sintered body, which is a major feature of the present invention. .

한편, B4C 및 C는 SiC의 소결조제로 다양하게 사용되어 왔으며 1.5-3wt% 내외의 소결조제 첨가로 2050℃에서 2시간 이상 상압소결을 수행 할 경우 비교적 치밀한 소결체를 얻을 수 있다. 가압 소결의 경우 소결 온도는 감소하여 20MPa의 압력을 가할 경우 1wt% B4C 첨가시 2200℃, 30분의 소결 조건이 보고되고 있고, 1wt% B, 1wt% C 조제의 경우 2020℃, 30분, 1wt% B4C 및 1wt% C가 포함된 경우 1950℃, 20MPa의 조건이 보고되고 있다.On the other hand, B 4 C and C have been variously used as sintering aids for SiC, and relatively dense sintered bodies can be obtained when atmospheric sintering is performed at 2050° C. for 2 hours or more with the addition of 1.5-3 wt% of sintering aids. In the case of pressure sintering, the sintering temperature decreases and when a pressure of 20 MPa is applied, sintering conditions of 2200 ° C and 30 minutes are reported when 1 wt% B 4 C is added, and 2020 ° C., 30 minutes in the case of 1 wt% B and 1 wt% C preparations , 1wt% B 4 C and 1wt% C are reported under conditions of 1950 ℃, 20 MPa.

하지만, 표 4와 같이 본 실험을 통하여 제조된 SiC 분말의 경우 2wt%의 소결조제를 사용하여 1800℃, 30MPa의 조건으로 2h 소결 시 치밀화가 완료되었으며, 동일 함량의 조제가 들어갈 경우 기존 결과보다 낮은 온도에서 치밀화가 가능함을 알 수 있는데, 이는 본 발명의 주요 특징에 해당한다.However, as shown in Table 4, in the case of the SiC powder manufactured through this experiment, densification was completed when sintering for 2 h at 1800 ° C and 30 MPa using 2 wt% of a sintering aid, It can be seen that densification is possible at temperature, which corresponds to the main feature of the present invention.

표 5는 다양한 조성 및 소결조건에서 치밀화된 SiC 시편의 비저항 값을 나타내었다.Table 5 shows the resistivity values of the densified SiC specimens under various compositions and sintering conditions.

통전성 SiC를 제조하기 위한 연구는 최근 수년간 활발히 진행되고 있다. 예를 들어, 다양한 희토류 금속과 AlN 소결조제를 이용하여 질소 분위기에서 소결한 SiC 소결체의 비저항이 1.5×10-2Ω·㎝까지 낮아지는 것이 보고되고 있으며, yttrium nitrate 소결조제를 사용할 경우 2.8×10-3Ω·㎝로 매우 낮은 비저항을 갖는 SiC를 제조할 수 있음이 보고되고 있다.Research to fabricate conductive SiC has been actively conducted in recent years. For example, it has been reported that the specific resistance of a SiC sintered compact sintered in a nitrogen atmosphere using various rare earth metals and AlN sintering aid decreases to 1.5×10 -2 Ω·cm, and when yttrium nitrate sintering aid is used, it is reported that 2.8×10 It has been reported that SiC having a very low resistivity of -3 Ω·cm can be manufactured.

그러나 두 경우 모두 2050℃라는 고온, 20-40MPa의 압력 하에서 6-12 시간의 장시간 소결이 요구되었으며, 이러한 가혹한 조건에서의 소결은 생산 비용의 증가를 유발하게 된다.However, in both cases, a long period of sintering for 6-12 hours was required under a high temperature of 2050° C. and a pressure of 20-40 MPa, and sintering under these harsh conditions causes an increase in production cost.

하지만, 본 발명에서 제시한 방법대로 제조된 SiC의 경우 1750℃ 내외의 온도, 20MPa의 압력으로 30분 소결된 시편도 10-4Ω·㎝ 대의 낮은 매우 비저항 값을 나타내었다.However, in the case of SiC manufactured according to the method presented in the present invention, the specimen sintered at a temperature of around 1750° C. and a pressure of 20 MPa for 30 minutes also showed a very low specific resistance value of 10 −4 Ω·cm.

Figure 112015073877484-pat00003
Figure 112015073877484-pat00003

상기 표 5를 참조하면, Al과 C를 소결조제로 사용할 경우 비저항은 10-1~ 10-3Ω·㎝ 범위의 값을 나타내었으며, 소결온도가 증가하고 소결조제의 양이 감소할 수록 전반적으로 비저항 값이 낮아짐을 알 수 있었다. 1600℃ 에서 소결된 시편들은 10-1Ω·㎝로 본 발명에서 제조된 시편들 중 가장 높은 비저항값을 나타내었으며 Al1C1 조성을 2100℃에서 소결한 시편의 경우 완전한 치밀화가 이루저지지 않았음에도 불구하고 10-3Ω·㎝ 범위의 낮은 비저항 값을 나타내었다.Referring to Table 5, when Al and C are used as sintering aids, the specific resistance exhibited a value in the range of 10 -1 to 10 -3 Ω·cm, and as the sintering temperature increases and the amount of the sintering aid decreases, the overall It was found that the resistivity value was lowered. The specimens sintered at 1600°C showed the highest resistivity value among the specimens prepared in the present invention at 10 -1 Ω·cm, and in the case of the specimens sintered at 2100°C with the Al1C1 composition, even though complete densification was not achieved, 10 It showed a low resistivity value in the range of -3 Ω·cm.

이러한 차이는 소결온도가 감소할수록 평균 입경이 감소하면서 절연체 역할을 하는 grain boundary의 밀도가 높아지기 때문이다.This difference is because as the sintering temperature decreases, the average grain size decreases and the density of grain boundaries acting as an insulator increases.

반면 고온에서 소결될 경우 입성장에 의하여 절연체 역할을 하는 grain boundary의 밀도 감소로 전기 전도도가 증가한다. 따라서 첨가되는 소결조제의 양 및 소결온도에 의하여 전기 전도성을 조절하여 줄 수 있는데 이는 본 발명의 주요 특징에 해당한다. On the other hand, when sintered at high temperature, the electrical conductivity increases due to the decrease in the density of the grain boundary that acts as an insulator due to grain growth. Therefore, it is possible to control the electrical conductivity by the amount of the sintering aid added and the sintering temperature, which corresponds to the main feature of the present invention.

또한, 본 발명에서 소결조제에 B가 포함되지 않은 Al-C 조성의 경우 높은 전기 전도성을 위해서는 소량의 소결조제를 사용하고 소결온도를 2100℃ 범위까지 높혀서 치밀화 및 입성장을 촉진시켜 주어야 함을 알 수 있다. In addition, in the present invention, in the case of the Al-C composition in which B is not included in the sintering aid, it is understood that a small amount of the sintering aid is used for high electrical conductivity and the sintering temperature is increased to 2100° C. to promote densification and grain growth. can

소결조제에 B이 포함된 B05Al2C1, B1C1 조성의 경우 1700-1800℃의 낮은 온도에서 소결된 후에도 비저항 값이 10-3~ 10-4Ω·㎝ 범위로 매우 낮게 나타남을 알 수 있었으며 이로부터 본 발명으로 제조된 시편에 B이 소량 포함 될 경우 전기 전도성이 크게 개선됨을 알 수 있었다.In the case of B05Al2C1 and B1C1 compositions containing B in the sintering aid, it was found that the specific resistance value was very low in the range of 10 -3 to 10 -4 Ω·cm even after sintering at a low temperature of 1700-1800 ° C. It was found that when a small amount of B was included in the specimen prepared with

SiC에 1wt%의 Al 또는 B를 소결조제로 사용하여 Ar 분위기 하에서 2050℃, 20MPa의 소결조건으로 5시간 소결한 후 얻어진 SiC의 비저항이 각각 103 ~ 105Ω·㎝로 높음이 보고되고 있다.It is reported that the specific resistance of SiC obtained after sintering for 5 hours at 2050°C and 20MPa under Ar atmosphere using 1wt% Al or B as a sintering aid in SiC is 10 3 to 10 5 Ω·cm, respectively. .

이 결과는 본 발명에서 제시된 방법과 유사한 소결조제 조성을 사용하여 얻어졌으나 본 발명에서 얻어진 비저항 값에 비하여 106Ω·㎝이상 높은 비저항 값을 나타내었다. This result was obtained using a sintering aid composition similar to the method presented in the present invention, but showed a resistivity value higher than 10 6 Ω·cm compared to the resistivity value obtained in the present invention.

기존의 방법대로 소결조제를 첨가할 경우 B 및 Al의 고용 한계인 0.1 및/또는 0.5wt%의 조제 만이 각각 SiC 내부로 포함될 수 있는 반면 본 발명을 통하여 제조된 시편의 경우 이보다 월등히 높은 4.3wt% 이상의 Al이 SiC 그레인(grain) 내부에 포함될 수 있으며, 이에 의해 전기 전도성이 크게 향상된 것으로 판단된다.When a sintering aid is added as in the conventional method, only 0.1 and/or 0.5 wt% of the solubility limit of B and Al, respectively, can be included in SiC, whereas in the case of the specimen manufactured through the present invention, 4.3 wt%, which is significantly higher than this. It is determined that the above Al may be included in the SiC grains, thereby greatly improving electrical conductivity.

또한, 전기 전도성은 고온에서 입성장을 촉진시켜 전도성을 방해하는 grain boundary를 줄일수록 증가함을 알 수 있었다. 이상과 같은 본 발명에서는 예를 들어, Si, Al 및 C를 mechanical alloying에 의하여 합성함으로써, 소결조제인 Al이 내부에 균일하게 분포된 SiC 합성 분말을 제조할 수 있다.In addition, it was found that the electrical conductivity increases as the grain boundaries that interfere with the conductivity are reduced by promoting grain growth at high temperatures. In the present invention as described above, for example, by synthesizing Si, Al, and C by mechanical alloying, it is possible to manufacture a SiC composite powder in which Al as a sintering aid is uniformly distributed therein.

이에 따라, 본 발명에서는 소결조제가 SiC 합성 분말의 내부에 균일하게 분포되고, 분포되고 기존 방법으로는 불가능한 높은 함량의 Al 및 B를 SiC grain 내부에 포함시킬 수 있기 때문에, 기존 방법에 비하여 SiC의 저온 소결 및 고 전기전도성이 가능하다.Accordingly, in the present invention, since the sintering aid is uniformly distributed in the inside of the SiC composite powder, and Al and B in a high content that is not possible with the conventional method can be included in the SiC grain, compared to the conventional method, Low temperature sintering and high electrical conductivity are possible.

따라서, 본 소결조제를 넣고 Si 및 C의 mechanical alloying에 의해 단일상의 SiC계 분말을 합성할 경우, 저온소결이 가능하며 높은 전기 전도성을 갖는 탄화규소 소결체를 제조할 수 있다.Therefore, when the present sintering aid is added and a single-phase SiC-based powder is synthesized by mechanical alloying of Si and C, low-temperature sintering is possible and a sintered silicon carbide body having high electrical conductivity can be manufactured.

이상과 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Although embodiments of the present invention have been described with reference to the above and the accompanying drawings, those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can practice the present invention in other specific forms without changing its technical spirit or essential features. You can understand that there is Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.

Claims (7)

소결조제를 포함하는 탄화규소 소결체에 있어서,
상기 소결조제는 Al을 포함하고,
상기 탄화규소 소결체는 그레인(grain) 내부에 0.97 내지 4.38 wt%의 Al을 포함하고,
탄화규소 원료물질 및 소결조제 원료물질이 기계적 합금화(mechanical alloying) 공정에 의해 합성 분말로 제조되어,
상기 합성 분말이 소결되어 제조된,
비저항 값이 1 ~ 10-4Ω·㎝ 인 것을 특징으로 하는 탄화규소 소결체.
In the silicon carbide sintered body comprising a sintering aid,
The sintering aid contains Al,
The silicon carbide sintered body contains 0.97 to 4.38 wt% of Al in the grain (grain),
The silicon carbide raw material and the sintering aid raw material are manufactured into synthetic powder by a mechanical alloying process,
Manufactured by sintering the synthetic powder,
A silicon carbide sintered body having a specific resistance value of 1 to 10 -4 Ω·cm.
제 1 항에 있어서,
상기 탄화규소 소결체는 그레인(grain) 내부에 0.1wt% 이상의 B를 더 포함하는 탄화규소 소결체.
The method of claim 1,
The silicon carbide sintered compact further comprises 0.1 wt% or more of B in the grain (grain).
삭제delete 제1항에 기재된 탄화규소 소결체의 제조방법으로서,
탄화규소 원료물질 및 소결조제 원료물질을 기계적 합금화(mechanical alloying) 공정에 의해 합성 분말로 제조하는 단계; 및
상기 합성 분말을 소결하는 단계를 포함하고,
상기 소결조제는 Al-C계, Al-B-C계 및 B-C 계로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 탄화규소 소결체의 제조방법.
A method for producing the silicon carbide sintered body according to claim 1,
manufacturing a silicon carbide raw material and a sintering aid raw material into a synthetic powder by a mechanical alloying process; and
sintering the synthetic powder;
The sintering aid is a method of manufacturing a silicon carbide sintered body, characterized in that at least one selected from the group consisting of Al-C-based, Al-BC-based and BC-based.
Si와 Al, B, 및 B4C로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 물질과 탄소원을 기계적 합금화(mechanical alloying) 공정에 의해 합성하여, 내부에 소결조제가 분포하는 SiC계 합성 분말을 제조하는 단계; 및
상기 합성 분말을 소결하는 단계를 포함하고,
상기 소결조제는 Al-C계, Al-B-C계 및 B-C 계로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 탄화규소 소결체의 제조방법.
A step of synthesizing Si and at least one material selected from the group consisting of Al, B, and B 4 C and a carbon source by a mechanical alloying process to prepare a SiC-based composite powder having a sintering aid distributed therein ; and
sintering the synthetic powder;
The sintering aid is a method of manufacturing a silicon carbide sintered body, characterized in that at least one selected from the group consisting of Al-C-based, Al-BC-based and BC-based.
제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
상기 소결하는 단계의 소결 온도는 1550 내지 2100℃인 것을 특징으로 하는 탄화규소 소결체의 제조방법.
6. The method according to claim 4 or 5,
The sintering temperature of the sintering step is a method of manufacturing a silicon carbide sintered body, characterized in that 1550 to 2100 ℃.
제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
상기 소결조제의 함량은 2 내지 13wt%인 것을 특징으로 하는 탄화규소 소결체의 제조방법.
6. The method according to claim 4 or 5,
The method for producing a silicon carbide sintered body, characterized in that the content of the sintering aid is 2 to 13wt%.
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