KR20160083194A - SiC-TiN ceramic composites - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a SiC-TiN ceramic composite which is prepared by adding TiN such that the content of TiN does not exceed 10 Volume% in the total volume of the initial composite. According to the present invention, while the amount of added TiN is minimized, Y_2O_3 and C_2O_3 are used as sintering aids such that SiC-TiN ceramic composite may be prepared, of which the fracture toughness and flexural strength are improved. In addition, to prepare SiC-TiN ceramic composite which can satisfy all the thermal and mechanical material properties, the content of Ti-N may be optimized and the combination and the content ratio of suitable sintering aids are optimized, thereby obtaining the SiC-TiN ceramic composite.

Description

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

본 발명은 SiC-TiN 세라믹 복합체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열적 특성과 기계적 특성이 우수한 SiC-TiN 세라믹 복합체에 관한 것이다.The present invention relates to a SiC-TiN ceramic composite, and more particularly, to a SiC-TiN ceramic composite excellent in thermal and mechanical properties.

어떤 재료에서 테일러링 특성(tailoring properties)을 위해 접근할 수 있는 한 방법은 다른 재료들의 특성들을 조합하는 것이다. 실리콘 카바이드는 우수한 열전도성, 산화안정성, 내부식성, 고온 강도 및 내마모성과 같은 특성 때문에 구조적 적용을 위한 아주 중요한 엔지니어링 세라믹이다. One approach that can be approached for tailoring properties in any material is to combine the properties of other materials. Silicon carbide is a very important engineering ceramics for structural applications because of its properties such as excellent thermal conductivity, oxidation stability, corrosion resistance, high temperature strength and abrasion resistance.

TiN은 높은 융점, 높은 전기 전도도, 방사 손상 내성, 및 금빛 색상과 같은 기능적으로 적용하기에 매력적인 물질이다. 또한 새로운 접근법으로서 SiC에 TiN을 금속산화물 첨가제와 복합화시키는 방법이 주목을 받았다.TiN is an attractive material for functional applications such as high melting point, high electrical conductivity, radiation damage resistance, and golden color. Also, as a new approach, a method of compounding TiN with a metal oxide additive in SiC has received attention.

TiN을 SiC 내로 복합화시키는 지금까지의 기술들은 다음과 같이 요약할 수 있다:Previous techniques for complexing TiN into SiC can be summarized as follows:

1. SiC로 TiN를 복합화시키게 되면 SiC의 전기 저항이 현저하게 감소한다. 진공 콜드 스프레이 코팅된 SiC-TiN 복합체의 전기 저항은 182 Ω·cm로 보고되었다. 온도-의존성 저항 특성을 가지는 SiC 세라믹은 SiC-TiN 분말 혼합물에 Y2O3-Sc2O3 첨가제를 혼합하여 제조되는데, 초기 조성에서 TiN 함량이 10 부피%까지는 반도체와 같은 특성을 나타내고, 20 부피% 이상에서는 금속과 같은 특성을 나타냈다.1. Complexing TiN with SiC significantly reduces the electrical resistance of SiC. The electrical resistance of the vacuum cold spray coated SiC-TiN composite was reported to be 182 Ω · cm. SiC ceramics with temperature-dependent resistance characteristics are prepared by mixing Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 additive with SiC-TiN powder mixture. In the initial composition, the TiN content shows the same characteristics as the semiconductor up to 10% Above the volume percentage, the metal-like characteristics were exhibited.

2. SiC 내부로 나노-TiN을 5 중량% 포함시키고, Y2O3-Sc2O3 첨가제를 10 중량%로 첨가하는 경우, SiC의 파괴 인성이 최대로 증가되었다. 최대 파괴 인성은 Y2O3-Sc2O3 첨가제를 10 중량% 첨가하여 소결시킨 SiC-5 중량%의 TiN 복합체에서 7.8 MPa.m1/2로 보고되었다.2. When 10 wt% of Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 additive was added to 5 wt% of nano-TiN into SiC, the fracture toughness of SiC was maximally increased. Maximum fracture toughness is in Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 TiN composite of the SiC-5% by weight was added to 10% by weight of sintering additive was reported to 7.8 MPa.m 1/2.

3. SiC/TiN의 나노다층구조(nanomultilayers)는 실온(r.t.)에서 수퍼경도(superhardness)를 나타냈다. TiN과 SiC층의 두께가 각각 4.3 nm와 0.6 nm일 때 SiC/TiN의 나노다층구조의 최대 경도는 60 GPa로 보고되었다. 3. The nanomultilayers of SiC / TiN exhibited superhardness at room temperature (r.t.). The maximum hardness of the nano-multilayer structure of SiC / TiN was reported to be 60 GPa when the thicknesses of TiN and SiC layers were 4.3 nm and 0.6 nm, respectively.

4. SiC 메트릭스(matrix)에 TiN을 첨가하게 되면 소결시키는 동안 점진적으로 SiC 및/또는 소결 조제와 반응하게 되어 2차상이 생성된다. 다음 반응식 (1)∼(4)은 소결 공정에서 SiC-TiN의 반응을 요약한 것이다.4. Addition of TiN to the SiC matrix results in a gradual reaction with the SiC and / or sintering aid during sintering, resulting in a secondary phase. The following reaction formulas (1) to (4) summarize the reaction of SiC-TiN in the sintering process.

(반응식)(Scheme)

TiN + 2B → TiB2 + 1/2 N2↑ (1) TiN + 2B → TiB 2 + 1/2 N 2 ↑ (1)

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

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

4TiN + 2SiC → 4TiC0.5N0.5 + 2Si(liquid) + N2↑ (4)
4TiN + 2SiC → 4TiC 0.5 N 0.5 + 2Si (liquid) + N 2 ↑ (4)

상기 반응식 (1) 내지 (4)에서, B, Al2O3, 및 Y2O3는 소결 조제로 첨가된 것이고, 이들은 TiN 및 SiC와 반응하여 TiB2, TiC, 또는 AlN을 생성시킨다.In the above reaction formulas (1) to (4), B, Al 2 O 3 , and Y 2 O 3 are added as sintering aids and react with TiN and SiC to produce TiB 2 , TiC, or AlN.

SiC-TiN 복합체는 다음 반응식 (5)에 의해 합성될 수 있다:       The SiC-TiN composite can be synthesized by the following reaction formula (5):

3TiC + Si3N4 → 3TiN + 3SiC + 1/2 N2↑ (5)
3TiC + Si 3 N 4 → 3TiN + 3SiC + 1/2 N 2 ↑ (5)

일본공개특허 1994-263540 에 의하면, 파괴인성치나 내충격성이 우수한 복합 소결체 및/또는 방전 가공이 가능하고 도전성이 부여된 복합 소결체로서, 매트릭스상이 질화규소-탄화규소로 이루어지고, 그 매트릭스상이 평균 입경 1㎛ 이하의 탄화규소 입자를 입계에 분산시키고, 수 nm로부터 수백 nm의 탄화규소 입자가 질화규소 입자 내에 분산된 미세 구조로 이루어진 질화규소-탄화규소이며, 분산상이 주기율표 4A, 5A, 6A족의 탄화물, 질화물, 붕화물, 규화물로부터 선택되는 적어도 1종 혹은 이들과 매트릭스상과의 고용체로 이루어진 것을 제시하고 있다.Japanese Unexamined Patent Publication No. 1994-263540 discloses a composite sintered body excellent in fracture toughness and impact resistance and / or a composite sintered body capable of being subjected to electric discharge and capable of electric discharge, wherein the matrix phase is made of silicon nitride-silicon carbide, Silicon carbide grains having a microstructure in which silicon carbide grains having a particle diameter of several nanometers to several hundreds of nanometers are dispersed in silicon nitride grains and the dispersed phase is a carbide or nitride of Group 4A, , A boride, and a silicide, or a solid solution of the compound and a matrix phase.

그러나, 상기 특허에서는 매트릭스상으로 질화규소-탄화규소로 이루어진 것을 사용하고, 분산상 물질로서 포함된 4A, 5A, 6A족의 탄화물, 질화물, 붕화물, 규화물로부터 선택되는 적어도 1종의 물질들이 10∼30부피%로 첨가되는 것을 알 수 있다. 그러나, 상기 분산상 물질의 함량이 많이 포함되는 경우에는 파괴 인성과 같은 기계적 물성은 개선될 수 있으나, 열전도도와 같은 열적 특성이 나빠질 수 있다.However, in the above-mentioned patent, in the case of using silicon nitride-silicon carbide as a matrix, at least one kind of material selected from carbides, nitrides, borides and silicides of Group 4A, 5A and 6A group, By volume. However, when the content of the dispersed phase material is large, mechanical properties such as fracture toughness may be improved, but thermal properties such as thermal conductivity may be deteriorated.

일본공개특허 1994-263540Japanese Patent Application Laid-Open No. 1994-263540

K. J. Kim, K. M. Kim, and Y.?. Kim, “Highly Conductive SiC ceramics containing Ti2CN.”J. Eur. Ceram. Soc., 34. 1149-54(2014). K. J. Kim, K. M. Kim, and Y. ?. Kim, " Highly Conductive SiC ceramics containing Ti2CN. &Quot; Eur. Ceram. Soc., 34, 1149-54 (2014).

지금까지의 SiC-TiN 복합체에서는 열적, 기계적 특성에 대한 연구들은 진행되지 못하였고, 전기적 특성과 이의 제조 방법에 대해서만 초점이 맞춰져 왔다. The thermal and mechanical properties of SiC-TiN composites have not been investigated so far, and only the electrical properties and manufacturing methods have been focused on.

따라서, 본 발명에서는 복합체 조성에서 초기 TiN 함량을 변화시키면서 SiC-TiN 복합체를 제조하고 열적 및 기계적 특성을 조사하여, 여러 가지 물성이 우수한 조건을 가지는 SiC-TiN 세라믹 복합체를 찾고자 하였다. Therefore, in the present invention, SiC-TiN composites were prepared by varying the initial TiN content in the composite composition, and the thermal and mechanical properties were investigated to find SiC-TiN ceramic composites having various physical properties.

따라서, 본 발명의 목적은 전체 조성에서 첨가되는 TiN 함량을 최적화시키고, 적절한 소결조제를 혼합함으로써 열적 및 기계적 특성이 우수한 SiC-TiN 세라믹 복합체를 제공하는 데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a SiC-TiN ceramic composite excellent in thermal and mechanical properties by optimizing the TiN content added in the entire composition and mixing an appropriate sintering auxiliary agent.

본 발명에 따른 SiC-TiN 세라믹 복합체는 초기 복합체 조성에서 TiN의 함량이 전체 조성 중 10 부피%를 초과하지 않도록 첨가하여 이루어진 것을 그 특징으로 한다. The SiC-TiN ceramic composite according to the present invention is characterized in that the content of TiN in the initial composite composition is added so as not to exceed 10% by volume of the entire composition.

상기 TiN 함량은 전체 조성 중 0.1∼5 부피%인 것이 바람직하다. The TiN content is preferably 0.1 to 5% by volume of the total composition.

상기 SiC-TiN 세라믹 복합체는 SiC-TiC(1-x)Nx이며, 여기서 x는 0.5인 것을 특징으로 한다.The SiC-TiN ceramic composite is SiC-TiC (1-x) N x , wherein x is 0.5.

상기 복합체는 Y2O3-Sc2O3 첨가제를 소결 조제로 첨가하여 가압소결(hot pressing)시킨 것을 특징으로 한다.The composite is characterized in that Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 additive is added as a sintering aid and hot-pressed.

상기 Y2O3:Sc2O3 복합체는 1:1의 몰비로 혼합되는 것이 바람직하다. The Y 2 O 3: Sc 2 O 3 composite is preferably mixed at a molar ratio of 1: 1.

상기 Y2O3-Sc2O3 첨가제는 전체 복합체 조성 중 0.1∼2 부피%로 첨가되는 것이 바람직하다. The Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 additive is preferably added in an amount of 0.1 to 2% by volume of the total composite composition.

상기 SiC-TiC0.5N0.5 복합체의 상대 밀도는 ≥98.5% 인 것일 수 있다. The relative density of the SiC-TiC 0.5 N 0.5 complex may be ≥98.5%.

상기 SiC-TiN 세라믹 복합체는 SiC, TiN, 및 Y2O3-Sc2O3 소결 조제를 혼합한 혼합물을 2000∼2100℃의 온도, 30∼40 MPa의 압력에서 3∼4 시간 동안 가압소결시켜 제조된 것일 수 있다.The SiC-TiN ceramic composite is obtained by press-sintering a mixture of SiC, TiN, and Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 sintering aids at a temperature of 2000 to 2100 ° C and a pressure of 30 to 40 MPa for 3 to 4 hours It may be manufactured.

본 발명에 따르면, TiN의 첨가량을 최소화시키면서, Y2O3 -Sc2O3 를 소결 조제로 사용함으로써 열전도도가 우수하며, 파괴인성과 굴곡강도가 개선된 SiC-TiN 세라믹 복합체를 제조할 수 있다. According to the present invention, it is possible to manufacture a SiC-TiN ceramic composite having excellent thermal conductivity and improved fracture toughness and bending strength by using Y 2 O 3 - Sc 2 O 3 as a sintering auxiliary agent while minimizing the amount of TiN added have.

또한, 열적 특성과 기계적 물성을 모두 만족할 수 있는 SiC-TiN 세라믹 복합체를 제조하기 위하여, TiN의 함량을 최적화시키고 적절한 소결 조제의 조합과 함량비를 최적화시킨 SiC-TiN 세라믹 복합체를 제공하는 효과를 가진다.In addition, in order to produce a SiC-TiN ceramic composite capable of satisfying both thermal and mechanical properties, there is an effect of optimizing the content of TiN and providing a SiC-TiN ceramic composite having an optimum combination of sintering aids and a content ratio .

도 1은 단일상 SiC, 및 2∼35 부피%의 TiN을 포함하여 소결된 SiC-based 복합체의 XRD 패턴이고,
도 2는 단일상 SiC(STN0)의 미세 구조를 나타낸 것이고,
도 3은 STN2의 미세 구조를 나타낸 것으로,
도 4는 STN35의 미세 구조를 나타낸 것으로, 화살표와 서클은 각각 SiC와 TiC0.5N0.5 그레인(grain)에서의 코어/림 (core/rim)구조를 나타낸 것이며,
도 5는 SEM 사진과 STN35 조성에서의 각 원소의 맵(map)을 나타낸 것으로, (a)SEM 사진, (b) 실리콘(silicon), (c) 티타늄(titanium), (d) 이트륨(yttrium), (e) 스컨튬(scandium), (f) 카본(carbon), and (g) 질소(nitrogen)의 성분 분포를 나타낸 것이고,
도 6은 단일상 SiC와 SiC-TiC0.5N0.5 복합체의 열전도도 및 포논 평균 자유 거리(phonon mean free path)를 나타낸 것이고,
도 7은 두께 1.13nm의 비정질 입계막을 가지는 SiC-SiC 계면에서의 HRTEM 현미경 사진이고,
도 8은 비정질 입계막을 가지지 않는 SiC-TiC0.5N0.5 계면에서의 HRTEM 현미경 사진이고,
도 9는 TiN 함량에 따른 단일상 SiC와 SiC-TiC0.5N0.5 복합체의 굴곡강도와 파괴 인성을 나타낸 것이고,
도 10은 STN0 시편에서의 비커스 압입시험(Vickers indentation)으로부터 크랙 길(crack path)를 나타낸 SEM 사진이고,
도 11은 STN35 시편에서의 비커스 압입시험(Vickers indentation)으로부터 크랙 길을 나타낸 SEM 사진이고,
도 12는 STN0 시편의 전형적인 파단면을 나타낸 것이고,
도 13은 STN35 시편의 전형적인 파단면을 나타낸 것이고,
도 14∼16은 SiC-TiC0.5N0.5 복합체에서 각각 (a) STN10, (b) STN20, 및 (c) STN35 에서의 파단 근원(fracture origin)을 나타낸 것이고,
도 17은 TiN 함량에 따른 단일상 SiC와 SiC-TiC0.5N0.5 복합체의 비커스 경도를 나타낸 것이다.
1 is an XRD pattern of a sintered SiC-based composite comprising single-phase SiC and 2 to 35 volume% TiN,
Fig. 2 shows the microstructure of single-phase SiC (STNO)
3 shows the microstructure of STN2,
Figure 4 shows the microstructure of STN 35, with the arrows and circles showing the core / rim structure in SiC and TiC 0.5 N 0.5 grain, respectively,
5 shows a SEM photograph and a map of each element in the STN35 composition. (A) SEM photograph, (b) silicon, (c) titanium, (d) yttrium, (e) scandium, (f) carbon, and (g) nitrogen,
Fig. 6 shows the thermal conductivity and phonon mean free path of single-phase SiC and SiC-TiC 0.5 N 0.5 composites,
7 is an HRTEM micrograph of an SiC-SiC interface having an amorphous grain boundary film of 1.13 nm in thickness,
8 is an HRTEM micrograph of a SiC-TiC 0.5 N 0.5 interface without an amorphous grain boundary film,
9 shows the flexural strength and fracture toughness of single-phase SiC and SiC-TiC 0.5 N 0.5 composites according to TiN content,
10 is a SEM photograph showing a crack path from a Vickers indentation test in the STN0 specimen,
11 is a SEM photograph showing the crack length from the Vickers indentation test in the STN35 specimen,
Figure 12 shows a typical fracture profile of the STN0 specimen,
13 shows a typical fracture profile of the STN35 specimen,
Figures 14-16 show the fracture origin in (a) STN10, (b) STN20, and (c) STN35 in SiC-TiC 0.5 N 0.5 composites, respectively,
17 shows the Vickers hardness of single-phase SiC and SiC-TiC 0.5 N 0.5 composites according to TiN content.

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 발명은 열적 특성 및 기계적 특성이 우수한 SiC계 세라믹 복합체에 관한 것이다.The present invention relates to a SiC-based ceramic composite excellent in thermal and mechanical properties.

특별히 본 발명에서는 SiC 세라믹에 질화물(Nitride)의 함량을 최적화시켜, 열적 및 기계적 특성을 가지는 SiC-TiN 세라믹 복합체를 제조하고자 하였다. 본 발명에 따른 질화물은 질화티타늄(TiN)이 가장 바람직하게 사용될 수 있다. In particular, in the present invention, SiC-TiN ceramic composites having thermal and mechanical properties were prepared by optimizing the content of nitride in SiC ceramics. Titanium nitride (TiN) is most preferably used as the nitride according to the present invention.

본 발명에 따른 SiC-TiN 세라믹 복합체는 초기 조성에서 TiN의 함량이 전체 조성 중 10 부피%를 초과하지 않도록 첨가하여 이루어진 데 특징이 있다. The SiC-TiN ceramic composite according to the present invention is characterized in that the TiN content in the initial composition is added so as not to exceed 10% by volume of the entire composition.

상기 SiC-TiN 세라믹 복합체는 SiC-TiC(1-x)Nx로 표시될 수 있으며, 여기서 x는 0.1∼0.5인 것이 바람직하다. The SiC-TiN ceramic composite may be represented by SiC-TiC (1-x) N x , where x is preferably 0.1 to 0.5.

본 발명에 따른 SiC-TiN 세라믹 복합체의 초기 조성에서 TiN의 함량이 10 부피%를 초과하는 경우 열전도도와 비커스 경도가 감소하기 때문에 바람직하지 못하다. 따라서, 바람직한 TiN의 함량은 초기 조성에서 전체 조성 중 0.1∼5 부피%이다.If the content of TiN exceeds 10 vol% in the initial composition of the SiC-TiN ceramic composite according to the present invention, the thermal conductivity and the Vickers hardness decrease, which is not preferable. Therefore, the preferable content of TiN is 0.1 to 5% by volume of the total composition in the initial composition.

본 발명에서 SiC-TiN 세라믹 복합체의 초기 조성에서 TiN의 함량이 10 부피%를 초과하는 경우 열전도도가 감소하는 것은, 첫째, SiC와 비교했을 때 TiC(1-x)Nx 가 더 낮은 열전도도를 가지기 때문이다. 또한, 두번째는 TiN의 함량이 10 부피%를 초과하여 증가함에 따라 SiC의 그레인 크기가 감소하여 포논-그레인 경계에서 포논의 산란을 증가시키기 때문이다.
In the present invention, when the content of TiN exceeds 10 vol% in the initial composition of the SiC-TiN ceramic composite, the thermal conductivity decreases. First, TiC (1-x) N x has lower thermal conductivity . The second reason is that as the content of TiN increases by more than 10% by volume, the grain size of SiC decreases and phonon scattering increases at the phonon-grain boundary.

또한, 본 발명에 따른 상기 SiC-TiN 세라믹 복합체는 Y2O3-Sc2O3 첨가제를 소결 조제로 첨가하여 가압소결시켜 제조하는 데 특징이 있다. In addition, the SiC-TiN ceramic composite according to the present invention is characterized in that Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 additive is added as a sintering aid and pressure sintering is performed.

상기 Y2O3-Sc2O3 첨가제의 조합은 최종 제조되는 SiC-TiN 세라믹 복합체에 높은 열전도도를 가지도록 할 수 있기 때문에 선택된 것이다. The combination of the Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 additive is selected because it can make the SiC-TiN ceramic composite to have a high thermal conductivity.

통상, 첨가제의 양이 적을수록 SiC-based 복합체에서 높은 경도를 제공하는 것으로 알려져 있다. 따라서, 본 발명에서는 첨가제의 함량을 전체 조성 중 0.1∼2 부피%로 최소화시켜 지금까지 공지된 SiC계 세라믹 복합체에 비해 더 미세한 미세 구조를 가짐으로써, 경도가 개선된 SiC-TiN 세라믹 복합체를 제조하였다. It is generally known that the lower the amount of additive, the higher the hardness in SiC-based composites. Therefore, in the present invention, the SiC-TiN ceramic composite having improved hardness was prepared by minimizing the additive content to 0.1 to 2% by volume of the total composition and having a finer microstructure than the conventional SiC-based ceramic composite .

또한, 본 발명에 따른 소결조제는 Y2O3:Sc2O3 를 1:1의 몰비로 혼합시키는 것이 경도 및 열전도도 개선에 바람직하다. The sintering assistant according to the present invention is preferably mixed with Y 2 O 3: Sc 2 O 3 in a molar ratio of 1: 1 in order to improve hardness and thermal conductivity.

따라서, 본 발명에 따른 SiC-TiN 세라믹 복합체의 비커스 경도 값은 20∼25 GPa 의 범위를 가지는데, 이러한 값은 소결조제로서 Y3Al5O12를 10 중량%로 사용하거나, Al2O3-Y2O3를 10 중량%로 사용한 SiC계 세라믹 복합체의 비커스 경도 값과 유사한 것이다. 이러한 결과로부터, 본 발명과 같이 Y2O3-Sc2O3 첨가제를 조합하여 소결조제로 사용하되, 그 함량을 이전 소결조제의 함량의 1/5 수준으로 최소로 포함시키더라도 우수한 경도를 가지는 SiC-TiN 세라믹 복합체의 제조가 가능한 효과를 가진다. Therefore, the Vickers hardness of the TiN-SiC ceramic composite according to the present invention I have a range of 20~25 GPa, these values using the Y 3 Al 5 O 12 as a sintering aid to 10% by weight or, Al 2 O 3 -Y 2 O 3 is 10% by weight based on the total weight of the SiC-based ceramic composite. From these results, it can be seen that even though Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 additive is used as a sintering aid as in the present invention and its content is minimized to 1/5 of the content of the previous sintering auxiliary, SiC-TiN ceramic composite.

또한, 본 발명에서는 TiN을 첨가제로 포함함에 따라 SiC-TiC0.5N0.5 복합체의 밀도를 향상시킬 수 있다. 즉, TiN을 포함하고 있는 모든 시편들은 질소 분위기에서 2000℃, 40MPa의 조건에서 3시간 동안 가압소결시켰을 때, 최대 ≥99.3%까지 밀도를 높일 수 있다. Also, the inclusion of TiN as an additive in the present invention can improve the density of the SiC-TiC 0.5 N 0.5 composite. That is, all specimens including TiN can be densified up to ≥99.3% when pressurized and sintered under nitrogen atmosphere at 2000 ℃ and 40MPa for 3 hours.

이러한 결과는 단일상 SiC 시편에 Y2O3-Sc2O3 첨가제를 소결조제로 사용하여 가압소결시키는 공정에서 SiC 고유의 산화물 필름인 SiO2와 반응하여 Y-Sc-Si 옥사이드 액상을 형성한다. 또한, 온도가 올라감에 따라 소결 환경으로부터 질소와 SiC의 용해로부터 Y-Sc-Si 옥시카보나이트라이드(OCN)가 생성된다. 상기 Y-Sc-Si OCN 액상은 액상 소결 기구를 통하여 상기 시편이 치밀화되는 데 작용함으로써, 최종 제조되는 SiC-TiN 세라믹 복합체의 밀도 향상에 기여하게 된다.These results show that Y-Sc-Si oxide is formed by reacting with SiO 2 , which is an oxide film inherent in SiC, in a process of pressurizing and sintering using a Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 additive as a sintering aid in single-phase SiC specimens . Also, Y-Sc-Si oxycarbonitride (OCN) is formed from the dissolution of nitrogen and SiC from the sintering environment as the temperature increases. The Y-Sc-Si OCN liquid phase acts to densify the specimen through the liquid-phase sintering mechanism, thereby contributing to the improvement of the density of the finally produced SiC-TiN ceramic composite body.

따라서, 본 발명에 따른 상기 SiC-TiC0.5N0.5 복합체의 상대 밀도는 ≥98.5% 의 값을 가진다.
Therefore, the relative density of the SiC-TiC 0.5 N 0.5 composite according to the present invention has a value of ≥98.5%.

이러한 본 발명에 따른 SiC-TiN 세라믹 복합체는 상기와 같은 TiN의 함량과, Y2O3-Sc2O3 소결첨가제를 혼합하여 가압소결 공정에 의해 제조되는 것이 바람직하다. It is preferable that the SiC-TiN ceramic composite according to the present invention is prepared by mixing the TiN content and the sintering additive of Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 and press-sintering the mixture.

본 발명에서는 가압소결시키는 공정 조건에 있어서도 종래의 공정 조건보다 마일드(mild)한 분위기에서 수행할 수 있는데, 예를 들어, 2000∼2100℃의 온도 부근에서, 30∼40 MPa의 압력에서 3∼4 시간 동안 가압소결시킨 것이다. In the present invention, the pressing and sintering may be performed in a milder atmosphere than the conventional process conditions. For example, at a temperature in the range of 2000 to 2100 캜, a pressure of 3 to 4 Lt; / RTI >

또한, 본 발명에 따른 SiC-TiC0.5N0.5 복합체의 기계적 물성은 TiN 함량에 따라 다소 상이한 결과를 나타낸다. 즉, TiN 함량이 증가함에 따라 굴곡강도는 10 부피%를 기점으로 서서히 감소하는 결과를 나타냈다. 그러나, 파괴인성은 TiN 함량이 증가함에 따라 조금씩 증가하는 결과를 나타냈다. In addition, the mechanical properties of the SiC-TiC 0.5 N 0.5 composite according to the present invention show somewhat different results depending on the TiN content. That is, as the content of TiN increased, the flexural strength gradually decreased from 10 vol%. However, fracture toughness increased gradually with increasing TiN content.

따라서, 본 발명과 같이 Y2O3-Sc2O3 소결첨가제를 사용함과 동시에, 전체 조성에서 초기 TiN의 함량을 최적화시킴으로써 열적 특성과 기계적 물성을 모두 만족할 수 있는 SiC-TiN 세라믹 복합체의 제조가 가능하다.
Therefore, the production of the SiC-TiN ceramic composite which can satisfy both the thermal and mechanical properties by using the Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 additive as in the present invention and optimizing the initial TiN content in the entire composition It is possible.

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 1∼5Examples 1-5

β-SiC(∼0.5㎛, BF-17, H.C. Starck, Berlin, Germany), TiN(Grade C, ∼1.0㎛, H.C. Starck, Berlin, Germany), Y2O3 (99.99%, Kojundo Chemical Lab Co., Ltd., Sakado-shi, Japan), 및 Sc2O3 (99.9%, Kojundo Chemical Lab Co., Ltd., Sakado-shi, Japan)를 출발물질로 사용하였다. TiO 2 (Grade C, ~ 1.0 탆, HC Starck, Berlin, Germany), Y 2 O 3 (99.99%, Kojundo Chemical Lab Co., Ltd.), β- SiC (~0.5 μm, BF-17, HC Starck, Berlin, Germany). , Ltd., Sakado-shi, Japan), and Sc 2 O 3 (99.9%, Kojundo Chemical Lab Co., Ltd., Sakado-shi, Japan).

파우더 혼합물을 에탄올이 담긴 5 개의 배치에 혼합하고, SiC 볼과 폴리프로필렌 jar를 이용하여 24시간 동안 혼합시켰다. Sc2O3:Y2O3의 몰비는 1:1로 하였으며, 첨가제(Sc2O3,Y2O3)의 함량은 다음 표 1에서와 같이 모든 배치에서 2 부피%로 고정하였다. 밀링된 슬러리를 건조시키고, 체에 거른 다음, 질소 분위기에서 2000℃, 40MPa의 조건에서 3 시간 동안 가압소결 과정을 거쳤다The powder mixture was mixed in five batches containing ethanol and mixed for 24 hours using a SiC ball and a polypropylene jar. Sc 2 O 3 : Y 2 O 3 molar ratio was 1: 1, and the content of the additive (Sc 2 O 3 , Y 2 O 3 ) was fixed at 2% by volume in all batches as shown in Table 1 below. The milled slurry was dried and sieved, and subjected to a pressure sintering process in a nitrogen atmosphere at 2000 DEG C and 40 MPa for 3 hours

시편Psalter 배치 조성(vol%)Batch composition (vol%) 이론밀도
(g/㎤)
Theoretical density
(g / cm3)
상대밀도
(%)
Relative density
(%)
비열
(실온, J/(g·K))
specific heat
(Room temperature, J / (g 占)))
열전도도
[실온, W/(mK))]
Thermal conductivity
[Room temperature, W / (mK))]
STN0STN0 98.00% SiC + 1.13% Y2O3 + 0.87% Sc2O3 98.00% SiC + 1.13% Y 2 O 3 + 0.87% Sc 2 O 3 3.243.24 98.998.9 0.667± 0.0000.667 ± 0.000 199.6±2.7199.6 ± 2.7 STN2STN2 96.00% SiC + 2.00% TiN + 1.13% Y2O3 + 0.87% Sc2O3 96.00% SiC + 2.00% TiN + 1.13% Y 2 O 3 + 0.87% Sc 2 O 3 3.2623.262 99.999.9 0.702±0.0000.702 占 .000 224.1±1.4224.1 ± 1.4 STN10STN10 88.00% SiC + 10.00% TiN + 1.13% Y2O3 + 0.87% Sc2O3 88.00% SiC + 10.00% TiN + 1.13% Y 2 O 3 + 0.87% Sc 2 O 3 3.4573.457 99.399.3 0.667±0.0000.667 ± 0.000 131.0±0.8131.0 ± 0.8 STN20STN20 78.00% SiC + 20.00% TiN + 1.13% Y2O3 + 0.87% Sc2O3 78.00% SiC + 20.00% TiN + 1.13% Y 2 O 3 + 0.87% Sc 2 O 3 3.6743.674 99.599.5 0.698±0.0000.698 ± 0.000 102.8±1.4102.8 ± 1.4 STN35STN35 63.00% SiC + 35.00% TiN + 1.13% Y2O3 + 0.87% Sc2O3 63.00% SiC + 35.00% TiN + 1.13% Y 2 O 3 + 0.87% Sc 2 O 3 4.0004.000 99.799.7 0.628±0.0000.628 ± 0.000 90.3±1.290.3 ± 1.2

실험예1 :미세구조 확인Experimental Example 1: Microstructure Identification

가압소결시킨 시편들의 상대 밀도는 아르키메데스 방법을 이용하여 측정하였다. 각 시편들의 이론적인 밀도는 혼합물의 룰에 따라 계산하였으며, 다음 표 1에 나타낸 바와 같다. Relative density of pressure - sintered specimens was measured by Archimedes' method. The theoretical density of each specimen was calculated according to the rules of the mixture, as shown in Table 1 below.

Monolithic SiC 샘플(STNO)의 상대밀도 측정을 위하여 서브마이크로미터 크기의 β-SiC와 2 부피%의 Y2O3-Sc2O3 첨가제를 첨가하여 상대밀도 98.9%인 샘플을 제조하였다. TiN을 포함하고 있는 다른 모든 시편들은 질소 분위기에서 2000℃, 40 MPa의 조건에서 3 시간 동안 핫-프레스시켰을 때, ≥99.3%까지 밀도를 높일 수 있었다. 이러한 결과는 TiN의 첨가로 SiC-TiC0.5N0.5 복합체의 밀도를 향상시킬 수 있다는 것을 유추할 수 있다. Monolithic SiC 시편에서, Y2O3-Sc2O3 첨가제는 가압소결 공정 동안 SiC 고유의 산화물 필름의 SiO2와 반응하여 Y-Sc-Si 옥사이드 액상을 형성한다. 또한, 온도가 올라감에 따라 소결 환경으로부터 질소와 SiC의 용해로부터 Y-Sc-Si 옥시카보나이트라이드(OCN)가 생성된다. 상기 Y-Sc-Si OCN 액상은 액상 소결을 통하여 상기 시편이 치밀화되는 데 작용한다. 마찬가지로, Y2O3-Sc2O3 첨가제는 SiC 고유의 산화물 필름의SiO2와 TiN 표면의 TiO2와 반응하여 가압소결 과정에서 Y-Sc-Ti-Si 옥사이드 액상을 형성한다. 온도가 올라감에 따라, 소결 환경으로부터 질소와 SiC, TiN의 용해에 의해 Y-Sc-Ti-Si-OCN 액상이 생성된다. Y-Sc-Ti-Si-OCN 액상의 생성은 이하의 EDS 결과로부터 확인할 수 있다. Y-Sc-Ti-Si-OCN 액상의 점도는 상기 Y-Sc-Ti-Si 옥사이드 액상의 점도 보다 더 낮고, 이러한 더 낮은 점성을 가지는 액상은 복합체의 소결 밀도를 개선시킬 수 있을 것이다.
To measure the relative density of the monolithic SiC sample (STNO), a submicrometer size β- SiC and 2 volume% Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 additive were added to prepare a sample having a relative density of 98.9%. All other specimens containing TiN were able to increase densities up to ≥99.3% when hot-pressed for 3 hours at 2000 ° C and 40 MPa in a nitrogen atmosphere. These results suggest that the addition of TiN can improve the density of SiC-TiC 0.5 N 0.5 composites. In the monolithic SiC specimen, the Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 additive reacts with the SiO 2 of the SiC-specific oxide film during the pressure sintering process to form the Y-Sc-Si oxide liquid phase. Also, Y-Sc-Si oxycarbonitride (OCN) is formed from the dissolution of nitrogen and SiC from the sintering environment as the temperature increases. The Y-Sc-Si OCN liquid phase acts to densify the specimen through liquid phase sintering. Likewise, the Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 additive reacts with SiO 2 of the SiC inherent oxide film and TiO 2 on the TiN surface to form a Y-Sc-Ti-Si oxide liquid phase during the pressure sintering process. As the temperature increases, Y-Sc-Ti-Si-OCN liquid phase is formed by dissolving nitrogen, SiC and TiN from the sintering environment. The formation of the Y-Sc-Ti-Si-OCN liquid phase can be confirmed from the following EDS results. The viscosity of the Y-Sc-Ti-Si-OCN liquid phase is lower than that of the Y-Sc-Ti-Si oxide liquid phase, and such a liquid phase having a lower viscosity can improve the sintering density of the composite.

실험예2 : XRD 구조 확인 Experimental Example 2: Confirmation of XRD structure

SiC의 결정상은 X-선 회절법(XRD; D8 Discover, BrukerAXS GmbH, Karlsruhe, Germany)에 따라 측정하였으며, 그 결과를 다음 도 1에 나타내었다. TiC(1-x)Nx상의 격자 상수는 XRD 데이터를 이용하여 계산하였다.
The crystal phase of SiC was measured according to X-ray diffraction (XRD; D8 Discover, BrukerAXS GmbH, Karlsruhe, Germany) and the results are shown in FIG. The lattice constant of TiC (1-x) Nx phase was calculated using XRD data.

다음 도 1을 참조하면,β-SiC와 TiN이 2 부피%로 구성된 시편의 XRD 패턴을 나타내고 있다. TiN의 함량이 10 부피%(STN10) 이상 포함하는 시편의 경우, β-SiC 피크를 따라 새로운 피크들이 관찰되었다.(도 1의 점으로 표시된 것 참조) STN10, STN20, 및 STN35 시편들에서의 새로운 피크들은 TiC(1-x)Nx 피크와 잘 일치하는 것을 알 수 있다. TiC(1-x)Nx의 계산된 격자상수는 STN20에서는 0.42863 nm, STN35에서는 0.42859 nm였다. 두 값은 TiC0.5N0.5(JCPDS 071-6059)의 격자상수 값인 0.42860 nm와 거의 비슷한 것이다. Referring now to FIG. 1, there is shown an XRD pattern of a specimen composed of 2% by volume of ? -SiC and TiN. In the case of specimens containing more than 10 volume% (STN10) of TiN, new peaks were observed along the beta -SiC peak (see the dotted line in Figure 1). It can be seen that the peaks agree well with the TiC (1-x) Nx peak. The calculated lattice constants of TiC (1-x) Nx were 0.42863 nm in STN20 and 0.42859 nm in STN35. Both values are close to 0.42860 nm, the lattice constant of TiC 0.5 N 0.5 (JCPDS 071-6059).

상기 XRD 결과로부터, 1) 소결 과정에서 TiN 입자들이 이웃하는 β-SiC 입자들의 카본 원자와 결합하여 TiC0.5N0.5 상으로 변환되었으며, 2) SiC의 β→α 상으로의 변화는 가압소결 공정 동안 완벽하게 억제되었음을 알 수 있다.
From the XRD results, 1) has been converted in the sintering process to β -SiC TiC 0.5 N 0.5 in combination with a carbon atom of the particles that are neighboring TiN particles, 2) β → α phase changes in the pressure of the SiC during the sintering process It can be seen that it is completely suppressed.

TiC0.5N0.5 상(phase) 형성의 가능한 메커니즘은 상기 반응식 (4)에 의해 제안된 것과 같이, 가압소결 과정에서 TiN과 SiC 간의 화학 반응이다. 그 안에서, 반응식 (4)에서 액상의 Si와 가스상의 N2는 가압소결 공정에서 형성된 Y-Sc-Ti-Si-OCN 액상에 용해된다. A possible mechanism for TiC 0.5 N 0.5 phase formation is the chemical reaction between TiN and SiC in the pressure sintering process, as suggested by equation (4) above. In the reaction formula (4), liquid Si and gaseous N 2 are dissolved in the Y-Sc-Ti-Si-OCN liquid phase formed in the pressure sintering process.

두번째 가능한 메커니즘은 가압소결 공정과 이어지는 냉각 과정에서 형성된 Y-Sc-Ti-Si-OCN 액상으로부터 TiC0.5N0.5 상(phase)의 침전이다. 이전 연구에서, 1 부피%의 Y2O3-Sc2O3 첨가제와 함께 2050℃에서 가압소결시킨 고온 전도성 SiC 세라믹의 경우, 가압소결 공정 후에 β→α 상전이의 결과로 소량의 α-SiC가 생성되었다. The second possible mechanism is the precipitation of the TiC 0.5 N 0.5 phase from the Y-Sc-Ti-Si-OCN liquid phase formed in the pressure sintering process and the subsequent cooling process. In a previous study, in the case of a high temperature conductivity SiC ceramic was pressed and sintered at 2050 ℃ with Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 1% by volume of additive, a small amount of α-SiC as a result of β → α phase transition after the pressure sintering process the .

상기 시편에서 SiC 에서 β→α 상으로의 상전이가 억제된 것은 가압소결 온도가 낮아진 것과, OCN 액상의 존재로 β-SiC의 증가된 안정성 등의 두 가지 이유인 것으로 설명될 수 있다.
The suppression of the phase transition from SiC to β to α phase in the above specimen can be explained as two reasons, namely, a decrease in the pressure sintering temperature and an increased stability of β- SiC in the presence of the OCN liquid phase.

다음 도 2∼4는 단일상 SiC 및 SiC-TiC0.5N0.5 복합체의 전형적인 미세 구조를 나타낸 것이다. 도 2∼4를 참조로 다음과 같이 그 특징을 정리할 수 있다:Figures 2 to 4 below illustrate typical microstructures of single-phase SiC and SiC-TiC 0.5 N 0.5 composites. The characteristics can be summarized as follows with reference to Figures 2 to 4:

(1)SiC 그레인 크기는 출발 물질 조성에서 TiN 함량이 증가됨에 따라 작아진다. 즉, TiN의 역할은 그레인 성장 억제제로 작용함을 알 수 있다. (2) TiC0.5N0.5의 그레인 크기는 STN2 샘플에서 ∼1㎛였다가, STN35 샘플에서는 ∼5㎛까지 증가된다. 이로부터, TiC0.5N0.5의 그레인 성장은 핫-프레스 공정에서 발생된다. (3)TiC0.5N0.5 상의 위치는 그 크기에 따라 달라진다. 즉, 그레인 크기가 <1㎛과 같이 작은 경우에는 SiC 그레인 안에 대부분 트랩(trap)되지만, 그레인 크기가 ≥1㎛로 큰 경우에는 그레인의 경계면 또는 다수의 그레인(multigrain) 접합면에 위치하게 된다. (4)코어/림 구조는 도 4에서와 같이 SiC와 TiC0.5N0.5 그레인 모두에서 관찰되었으며, 이로부터 Ti(C, N) 서멧 시스템에서와 같이 시편에서 용액-재침전 프로세스가 발생됨을 알 수 있다. (5)TiC0.5N0.5 그레인의 형상은 그 위치에 따라 달라지는데, 예를 들어, 크기가 <1㎛과 같이 작은 TiC0.5N0.5 그레인은 SiC 그레인의 안쪽에 트랩되어 구형을 이루는 반면, 큰 그레인들은 등방형(equaxied) 또는 불규칙적인 형태로 그레인의 경계면 또는 그레인 사이의 접합점에 존재한다. (1) The SiC grain size decreases as the TiN content increases in the starting material composition. That is, it can be seen that the role of TiN acts as a grain growth inhibitor. (2) The grain size of TiC 0.5 N 0.5 was ~ 1 탆 in the STN2 sample, and increased to ~ 5 탆 in the STN35 sample. From this, grain growth of TiC 0.5 N 0.5 occurs in the hot-press process. (3) The position of TiC 0.5 N 0.5 phase depends on its size. That is, when the grain size is as small as <1 μm, most of the particles are trapped in the SiC grain. However, when the grain size is as large as ≧ 1 μm, the grain boundary is located at the interface of the grain or at the multigrain junction. (4) The core / rim structure was observed in both SiC and TiC 0.5 N 0.5 grains as shown in FIG. 4, indicating that the solution-re-precipitation process occurred in the specimen as in the Ti (C, N) have. (5) TiC 0.5 N 0.5 The shape of the grain varies depending on its position. For example, TiC 0.5 N 0.5 grains as small as <1 μm are trapped inside the SiC grain to form a spherical shape, whereas large grains In equiaxed or irregular form at the interface of the grain or at the junction between the grains.

이러한 결과로부터 작은 TiC0.5N0.5 그레인들은 액상으로부터 침전 및 생성되어, 성장하는 SiC 그레인 안쪽에 트랩되는 것을 알 수 있다. 또한, 큰 TiC0.5N0.5 그레인들은 반응식 (4)에 의해 형성되며, SiC 그레인의 성장에 의해 변형되는 것을 알 수 있다. TiN과 같이, TiC0.5N0.5는 가압소결 온도에서 연성을 가진다.
From these results, it can be seen that small TiC 0.5 N 0.5 grains precipitate and form from the liquid phase and are trapped inside the growing SiC grain. Also, it can be seen that large TiC 0.5 N 0.5 grains are formed by the reaction formula (4) and are deformed by the growth of SiC grains. Like TiN, TiC 0.5 N 0.5 has ductility at the pressure sintering temperature.

실험예3 : SEM 이미지 확인Experimental Example 3: SEM image confirmation

가압소결시킨 시편들을 폴리싱시키고, 10% 산소를 포함하는 CF4플라즈마로 에칭시켰다. 에칭시킨 미세구조와 파단 표면을 SEM(S4300, Hitachi Ltd., Hitachi, Japan)으로 측정하였으며, 그 결과를 다음 도 5에 나타내었다.
The pressure-sintered specimens were polished and etched with CF 4 plasma containing 10% oxygen. The etched microstructure and fracture surface were measured with an SEM (S4300, Hitachi Ltd., Hitachi, Japan), and the results are shown in Fig.

다음 도 5의 결과에서와 같이, SEM 이미지와 STN35 샘플에서 EPMA에 의한 Si, Ti, Y, Sc, C, 및 N의 dot mapping을 각 샘플에서 각 원자의 위치를 나타내었다. As shown in the results of FIG. 5, the dot mapping of Si, Ti, Y, Sc, C and N by EPMA in the SEM image and the STN35 sample shows the position of each atom in each sample.

STN35 샘플의 미세구조는 질소-도핑된 SiC 그레인, TiC0.5N0.5 그레인, 및 Y-Sc-Ti-Si-OCN 상으로 구성되어 있으며, 이는 이후의 그레인-계면 필름에서 EDS 분석에서도 확인할 수 있을 것이다. The microstructure of the STN35 sample consisted of nitrogen-doped SiC grain, TiC 0.5 N 0.5 grain, and Y-Sc-Ti-Si-OCN, which could be confirmed in subsequent grain- .

다음 도 5에서 동그라미 영역은 대부분 Si으로 구성된 큰 TiC0.5N0.5 그레인들의 코어를 나타낸다. 반응식 (4)의 반응생성물 중 하나인 Si은 TiC0.5N0.5 그레인의 코어에 부분적으로 남아있는 것을 알 수 있다.
5, the circled area represents the core of large TiC 0.5 N 0.5 grains composed mostly of Si. It can be seen that Si, one of the reaction products of Scheme (4), remains partially in the core of TiC 0.5 N 0.5 grain.

실험예4 :열전도도 측정Experimental Example 4: Measurement of thermal conductivity

열전도도는 레이저 플래쉬법에 의해 측정하였다. 열전도도측정장치(LFA 447, NETZSCH GmbH, Selb, Germany)와 시차주사열분석기(differential scanning calorimetry, DSC, Model Q200, TA Instrument Inc., New Castle, DE)를 이용하였으며, 열전도도(α)와 열용량(C p)을 각각 측정하였다.Thermal conductivity was measured by laser flash method. Thermal conductivity (LFA 447, NETZSCH GmbH, Selb, Germany) and differential scanning calorimetry (DSC, Model Q200, TA Instrument Inc., New Castle, DE) And the heat capacity ( C p ) were respectively measured.

핫프레스시킨 샘플을 열전도도 측정용 샘플 (10 mm ×10 mm×4 mm)과 열용량 측정용 샘플(2.84 mm×2.84 mm×1 mm)의 크기로 자르고, 연마시켰다. 시편의 넓은 표면을 가압소결시킨 방향과 반대면으로 정렬시키고, 다음 수학식 1에 따라 열전도도를 측정하였다. The hot-pressed sample was cut into a size of a sample for thermal conductivity measurement (10 mm x 10 mm x 4 mm) and a sample for heat capacity measurement (2.84 mm x 2.84 mm x 1 mm) and polished. The large surface of the specimen was aligned on the opposite side of the direction of pressure sintering, and the thermal conductivity was measured according to the following equation (1).

(수학식 1)(1)

κ = α ρ Cκ = α ρ C p p

상기 식에서 ρ는 샘플의 밀도이다.
Where rho is the density of the sample.

평균 포논 자유 거리 (ι)는 다음 수학식 2에 따라 계산하였다. The average phonon free distance (ι) was calculated according to the following equation (2).

(수학식 2)(2)

Figure pat00001
Figure pat00002
Figure pat00001
Figure pat00002

여기서 κ는 열전도도이고, V는 복합체에서의 평균 소리 속도(average sound velocity)이다.
Where κ is the thermal conductivity and V is the average sound velocity in the composite.

실온에서 측정한 각 시편에서의 열용량은 상기 표 1에 나타낸 바와 같다. 실온에서 SiC와 TiN에서의 소리 속도는 각각 11820 m/s 과 9357 m/s 였다. TiC0.5N0.5에서의 소리 속도는 문헌상 유효하지 않기 때문에 TiN에서의 소리 속도를 포논 평균 자유 거리를 계산하는 데 사용하였다. 복합체에서의 소리 속도는 혼합물의 룰을 이용하여 계산하였다. 따라서, 여기서 계산된 평균 자유 거리는 정확한 값은 아니고 대략의 근사값으로 보면 된다.
The heat capacity of each specimen measured at room temperature is shown in Table 1 above. The sound velocities of SiC and TiN at room temperature were 11820 m / s and 9357 m / s, respectively. Since the sound velocity at TiC 0.5 N 0.5 is not valid in the literature, the sound velocity in TiN was used to calculate the phonon mean free distance. The sound velocity in the composite was calculated using the mixture rule. Therefore, the average free distance calculated here can be regarded as an approximate approximate value, not an exact value.

단일상(Monolithic) SiC와 SiC-TiC0.5N0.5 복합체의 열전도도는 다음 도 6에 나타내었다. The thermal conductivity of the monolithic SiC and SiC-TiC 0.5 N 0.5 complexes is shown in FIG. 6 below.

단일상 SiC의 열전도도는 199.6W/m·K였고, 최대값은 TiN을 2 부피%로 첨가했을 때 224.1W/m·K였으며, TiN의 함량이 35 부피%로 증가할 때 90.3W/m·K까지 점차 감소하였다. The thermal conductivity of the single-phase SiC was 199.6 W / m · K, and the maximum value was 224.1 W / m · K when TiN was added at 2 vol% and 90.3 W / m · K when the TiN content was increased to 35 vol% · K gradually decreased.

통상적으로, SiC 및 TiN 세라믹에서 열은 대부분 포논에 의해 부분적으로는 전자에 의해 운행된다. 다결정 세라믹에서는, 포논의 이동이 화학적 및 구조적 결함(불순물)에 의해 산란된다. 상호작용은 포논-불순물 산란과 포논-입계 (grain boundary) 산란을 포함한다. SiC 세라믹의 경우, 산소는 비산화 세라믹의 열전도도에 영향을 주는 격자에서 주요 불순물이다. Typically, in SiC and TiN ceramics, heat is mostly driven by electrons, partly by phonons. In polycrystalline ceramics, phonon migration is scattered by chemical and structural defects (impurities). Interactions include phonon-impurity scattering and phonon-grain boundary scattering. In the case of SiC ceramics, oxygen is a major impurity in the lattice that affects the thermal conductivity of the non-oxidized ceramics.

STN0, STN2, STN10, STN20, 및 STN35의 경우 실온에서 평균 포논 평균 자유 거리(average phonon mean free path)는 각각 24.0, 25.0, 14.9, 10.7, 및 9.9 nm 이다. 열전도도의 변화는 각 샘플에서 포논 평균 자유 거리에서의 변화와 일치한다. The average phonon mean free path at room temperature for STN0, STN2, STN10, STN20, and STN35 are 24.0, 25.0, 14.9, 10.7, and 9.9 nm, respectively. The change in thermal conductivity corresponds to the change in phonon mean free path in each sample.

SiC와 TiC0.5N0.5의 평균 그레인 크기는 다음 도 2∼4에서와 같이 각각 1.9∼5.3 ㎛였다. SiC는 출발 조성에서 TiN을 <20 부피% 포함하는 복합체 내에서 주요 상(연속상)이기 때문에, 열전도도는 복합체에서 주로 SiC 그레인의 특성에 의해 영향을 받는다. 포논 평균 자유 거리는 SiC의 그레인 크기의 1/100∼1/250이므로, 열전도도는 1차적으로는 SiC 격자에서 포논-산소 산란에 의해, 2차적으로는 포논-입계 산란에 의해 영향을 받는다. 반대로, TiN을 ≥20 부피% 함유하는 복합체에서는 TiC0.5N0.5 상의 3차원적인 네트워크가 관찰된다. 따라서, 전도성 전자의 열전도도로의 높은 기여를 복합체 내에서 기대할 수 있다.
The mean grain sizes of SiC and TiC 0.5 N 0.5 were 1.9 ~ 5.3 ㎛, respectively, as shown in Figs. Since SiC is the main phase (continuous phase) in the composite containing <20 vol% of TiN in the starting composition, the thermal conductivity is mainly affected by the nature of the SiC grains in the composite. Since the phonon average free distance is 1/100 to 1/2 of the grain size of SiC, the thermal conductivity is primarily affected by phonon-oxygen scattering in the SiC lattice and secondarily by phonon-interfacial scattering in the SiC lattice. Conversely, in a composite containing TiN ≥ 20% by volume, a three-dimensional network of TiC 0.5 N 0.5 phase is observed. Thus, a high contribution of the conductive electron's thermal conduction path can be expected in the composite.

이전 연구에서, Y2O3-Sc2O3를 1 vol%로 포함하여 소결된 단일상 SiC 에서는 234.2 W/m K 의 열전도도를 가졌다. 그러나, 본 발명에서의 단일상 SiC의 열전도도는 199.6 W/m K였으며, 이는 이전의 값보다 더 낮은 것이다. 이러한 차이는 본 발명의 단일상 SiC와 이전 연구에서의 SiC 세라믹 간의 미세구조와 포논 평균 거리의 차이에 기여한다. (1)본 발명의 SiC의 그레인 크기는 ∼5.3 ㎛인 반면, 이전에는 ∼12 ㎛였다; (2) 본 발명과 이전 연구에서의 평균 포논 평균 자유 거리는 각각 24 nm와 26 nm였다. In previous studies, the thermal conductivity of the sintered single-phase SiC containing Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 at 1 vol% was 234.2 W / mK. However, the thermal conductivity of the single-phase SiC in the present invention was 199.6 W / mK, which is lower than the previous value. This difference contributes to the difference in microstructure and phonon mean distance between the single-phase SiC of the present invention and the SiC ceramic in the previous study. (1) The grain size of the SiC of the present invention was ~ 5.3 탆, whereas it was ~ 12 탆 in the past; (2) The average phonon average free distances in the present invention and previous studies were 24 nm and 26 nm, respectively.

그레인 크기에 있어서의 차이는 공정 조건과 첨가제 함량의 차이에 기인한 것이다. 열전도도가 234.2 W/m·K 인 SiC 세라믹은 2050℃에서 6 시간 동안 핫-프레스시킨 것이다. 반면, 본 발명의 단일상 SiC는 2000℃에서 3 시간 동안 핫-프레시시킨 것이다. 이전 연구에서의 첨가제 함량은 1 부피%였으나, 본 발명에서는 첨가제 조성은 같지만, 첨가제의 함량은 2 부피%였다. TiN을 2 부피% 첨가함으로써 열전도도를 199.6에서 224.1W/m·K로 개선시켰다. 기준 물질인 STN0 시편과 비교하여 STN2 시편에서 높은 열전도도를 가지는 것으로부터 다음과 같은 사실을 알 수 있다:The difference in grain size is due to the difference in process conditions and additive content. SiC ceramics with a thermal conductivity of 234.2 W / m · K were hot-pressed at 2050 ° C. for 6 hours. On the other hand, the single-phase SiC of the present invention is hot-pressed at 2000 ° C. for 3 hours. In the previous study, the additive content was 1 vol% but in the present invention, the additive composition was the same, but the additive content was 2 vol%. By adding 2 vol% of TiN, the thermal conductivity was improved from 199.6 to 224.1 W / m · K. The higher thermal conductivity of the STN2 specimen compared to the reference STN0 specimen indicates the following:

(1) SiC격자(lattice)에서 Ti의 용해도 부족; (2) SiC에서 상전이의 부재; (3) TiN의 첨가에 의해 SiC 표면 또는 격자로부터 산소의 추출(분리); 및 (4) STN0(1.0×10-1Ω㎝)에 비해 STN2 시편에서의 높은 전기 전도도 (5.8×10-3 Ω㎝) (1) lack of solubility of Ti in the SiC lattice; (2) absence of phase transition in SiC; (3) extraction (separation) of oxygen from the SiC surface or lattice by addition of TiN; And (4) higher electrical conductivity (5.8 × 10 -3 Ω cm) in the STN2 specimen compared to STN0 (1.0 × 10 -1 Ω cm)

반도체에서는 전도성 전자는 열 전도뿐만 아니라 포논에도 기여할 수 있다. SiC 그레인에서 α/β 계면(interface)의 생성은 계면에서 증가된 포논 산란으로 유도된 β→α의 상전이로 인한 것이며, 이는 열전도도를 감소시킨다. In semiconductors, conductive electrons can contribute to phonon as well as thermal conduction. The formation of the α / β interface in the SiC grain is due to the phase transition of β → α induced by increased phonon scattering at the interface, which reduces the thermal conductivity.

따라서, 다음 도 1에서 보는 바와 같이, 상전이의 부재는 열전도도를 증가시킬 수 있는 잇점이 있다. Zhou 등은 격자의 산소가 SiC 세라믹의 열전도에 중요한 작용을 하는 것으로 보고하고 있다 (Y. Zhou, K. Hirao, K. Watari, Y. Yamauchi, and S. Kanzaki, "Thermal Conductivity of Silicon Carbide Densified with Rare-Earth Oxide Additives," J. Eur. Ceram. Soc., 24, 265-70 (2004)). SiC의 격자 또는 표면으로부터 산소의 추출은 다음과 같은 의미로 이해할 수 있다: (1)TiO2 (rutile)의 생성에 따른 Gibbs 자유에너지는 SiO2 (cristobalite) 에 비해 실온에서 소결 온도(2000℃)까지의 범위를 통해봤을 때 더 낮다; (2) STN2 샘플에서 Y-Sc-Ti-Si-OCN 액상의 생성.
Therefore, as shown in FIG. 1, the absence of the phase transition has the advantage of increasing the thermal conductivity. Zhou et al. Reported that oxygen in the lattice plays an important role in the thermal conduction of SiC ceramics (Y. Zhou, K. Hirao, K. Watari, Y. Yamauchi, and S. Kanzaki, "Thermal Conductivity of Silicon Carbide Densified with Rare-Earth Oxide Additives, " J. Eur. Ceram. Soc., 24 , 265-70 (2004)). The extraction of oxygen from the lattice or surface of SiC can be understood as follows: (1) The free energy of Gibbs due to the formation of TiO 2 (rutile) is higher than that of SiO 2 (cristobalite) Is lower through a range of up to; (2) Formation of Y-Sc-Ti-Si-OCN liquid phase in STN2 sample.

실험예5 :HRTEM이미지Experimental Example 5: HRTEM image

고해상도 투과전자현미경(high-resolution transmission electron microscopy, HRTEM)측정을 위하여 SiC 디스크(직경 3 mm)를 표준법에 따라 제조하였다. HRTEM (400 kV, JEM-4010, JEOL, Tokyo, Japan)은 SiC-SiC와 SiC-TiC0.5N0.5 상 계면의 관찰을 위해 사용되었다. 에너지 분산형 분석기(energy dispersive spectroscopy (EDS) 를 이용하여 15-nm직경의 전자 탐침을 사용하였다. SiC disk (diameter 3 mm) was prepared according to standard method for high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) measurement. HRTEM (400 kV, JEM-4010, JEOL, Tokyo, Japan) was used for the observation of SiC-SiC and SiC-TiC 0.5 N 0.5 phase interfaces. A 15-nm diameter electron probe was used using energy dispersive spectroscopy (EDS).

SiC-SiC와 SiC-TiC0.5N0.5 계면에서의 전형적인 HRTEM 이미지를 다음 도 7∼8에 나타내었다. ∼1.13 nm의 두께를 가지는 SiC-SiC 계면에서 비정질 입계막(grain-boundary film)을 나타냈으나, SiC-TiC0.5N0.5 경계면에서는 깨끗한 계면이 관찰되었다. 비정질 입계막과 SiC-SiC 입계상 13점(spot)의 조성을 EDS로 관찰하였으며, STN2샘플에서 얻어진 평균 조성은 0.6 at.% Y, 0.8 at.% Sc, 0.8 at.% Ti, 55.1 at.% Si, 2.8 at.% O, 38.9 at.% C, 및 1.0 at.% N 였다. Typical HRTEM images at SiC-SiC and SiC-TiC 0.5 N 0.5 interfaces are shown in FIGS. 7 to 8 below. In the SiC-SiC interface with a thickness of ~1.13 nm, an amorphous grain boundary film was observed, but a clean interface was observed at the SiC-TiC 0.5 N 0.5 interface. The composition of 13 spot of SiC-SiC grain boundary was observed with EDS. The average composition of STN2 sample was 0.6 at.% Y, 0.8 at.% Sc, 0.8 at.% Ti, 55.1 at. Si, 2.8 at.% O, 38.9 at.% C, and 1.0 at.% N.

EDS 분석을 위한 탐침의 크기는 입계막의 두께보다 더 크기 때문에, 데이터는 이웃하는 SiC 그레인으로부터의 영향을 다소 포함할 수 있다. 그러나, 얻어진 데이터를 통하여 입계영역에 존재하는 원자들을 정성적으로 확인할 수 있다. 입계막은 STN2 샘플에서 Y-Sc-Ti-Si-OCN으로 구성되어 있다. Since the size of the probe for EDS analysis is greater than the thickness of the intergranular film, the data may contain some influence from neighboring SiC grains. However, the atoms present in the grain boundary region can be confirmed qualitatively through the obtained data. The intergranular film consists of Y-Sc-Ti-Si-OCN in the STN2 sample.

이러한 결과는 Y-Sc-Ti-Si-OCN 액상이 Y2O3-Sc2O3으로 소결된 SiC-TiC0.5N0.5 복합체에서 생성되는 것을 명백하게 보여준다. 이로부터, 첨가된 TiN의 일부는 소결되는 동안 액상(glass phase)으로 녹아 들어 가며, SiC 입자에서 산소를 배출시킨다. 234.2 W/m K의 열전도도를 가지는 SiC 세라믹의 SiC-SiC 계면에서 HRTEM 을 이용한 이전 관찰 결과로부터 결정화된 부분 또는 깨끗한 계면을 나타냈는데, 이는 SiC-SiC 계면 간에는 비정질 필름이 없음을 의미한다. 본 발명과 이전 연구를 비교하면, Ti가 Y-Sc-Si-OCN glass로의 복합화는 소결 후 냉각시키는 동안 SiC-SiC 계면에서 무정형 필름의 결정화를 억제시키는 것을 알 수 있다. These results clearly show that the Y-Sc-Ti-Si-OCN liquid phase is formed in the SiC-TiC 0.5 N 0.5 complex sintered with Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 . From this, a portion of the added TiN is melted into the glass phase during sintering, and oxygen is released from the SiC particles. In the SiC-SiC interface of the SiC ceramics with a thermal conductivity of 234.2 W / m K, a crystallized or clean interface was observed from the previous observation using HRTEM, which means that there is no amorphous film between the SiC-SiC interfaces. Comparing the present invention with previous studies, it can be seen that the incorporation of Ti into Y-Sc-Si-OCN glass inhibits the crystallization of the amorphous film at the SiC-SiC interface during cooling after sintering.

TiN의 함량이 2∼35 부피%로 증가함에 따라 열전도도는 224.1에서 90.3 W/m K로 점차적으로 감소되는데, 이는 다음의 이유에 의한 것이다: 1)SiC와 비교했을 때 TiC0.5N0.5의 더 낮은 열전도도; 및 (2)SiC의 그레인 크기의 ∼5.3에서 1.9㎛로 감소는 TiN의 함량이 2∼35 부피%로 증가함에 따라 포논-그레인 경계 산란을 증가시킨다. 포논 평균 자유 거리가 STN2에서 25nm이고, STN35에서 9.9nm 로 감소하는 것도 상기 제안을 뒷받침할 수 있다.
As the content of TiN increases from 2 to 35% by volume, the thermal conductivity gradually decreases from 224.1 to 90.3 W / mK due to the following reasons: 1) the addition of TiC 0.5 N 0.5 Low thermal conductivity; And (2) the reduction of the grain size of SiC from ~ 5.3 to 1.9 mu m increases phonon-grain boundary scattering as the TiN content increases to 2 to 35% by volume. It can also be supported that the phonon average free distance is reduced from 25 nm in STN2 to 9.9 nm in STN35.

실험예 : 기계적 물성 측정 Experimental Example: Measurement of mechanical properties

굴곡강도 측정용 샘플은 2 mm×2.5 mm×25 mm 크기의 막대-모양의 샘플로 자르고 연마시켰다. 상기 막대의 인장표면은 6-㎛ 다이아몬드 페이스트로 연마시키고, 절개(sectioning)로 인해 발생되는 큰 엣지(dege) 결함과 스트레스 축적을 피하기 위해 인장 엣지 부분을 둥그렇게 만들었다. 굴곡강도 테스트는 내부와 외부의 지름이 각각 10mm, 20mm인 4-점 굴곡강도 측정법을 이용하여 크로스헤드 속도 0.5 mm/min에서 수행하였다. Samples for measuring flexural strength were cut and polished into rod-shaped samples measuring 2 mm x 2.5 mm x 25 mm. The tensile surface of the rod was polished with a 6-micron diamond paste and rounded off of the tensile edge to avoid large dege defects and stress build up caused by sectioning. The bending strength test was carried out at a crosshead speed of 0.5 mm / min using a 4-point bending strength measurement method with internal and external diameters of 10 mm and 20 mm, respectively.

파괴 인성은 ASTM C1421-10에 의해 측정하였다. 테스트 시편의 크기는 3×4×25 mm로 하였다. Knoop indenter를 테스트 시편의 연마된 표면의 중간지점에 결함(indent)를 만들기 위해 사용하였다. 압입하중 (indentation force)은 49 N이고, 최대하중에서 유지 시간은 15 초였다. 테스트 전에, 잔류 스트레스 손상 영역(residual stress damage zone)을 미세연마(mild grinding)에 의해 제거시켰다. 비커스 경도는 9.8 N 와 유지시간 10 초의 조건에서 Vickers 압입자(indenter)를 사용하여 측정하였다. Fracture toughness was measured according to ASTM C1421-10. The size of the test specimen was 3 × 4 × 25 mm. Knoop indenter was used to make an indentation at the midpoint of the polished surface of the test specimen. The indentation force was 49 N, and the holding time at the maximum load was 15 seconds. Prior to testing, the residual stress damage zone was removed by mild grinding. The Vickers hardness was measured using a Vickers indenter under conditions of 9.8 N and a holding time of 10 seconds.

다음 도 9에서 확인할 수 있는 바와 같이, 단일상 SiC와 SiC-TiC0.5N0.5 복합체의 굴곡강도와 파괴 인성은 초기 TiN 함량에 따라 크게 달라진다. TiN 함량이 증가함에 따라 파괴 인성은 증가되며, TiN 함량이 35 부피%에서 최대 값이 6.2 MPa m1/2를 나타냈다. TiN의 함량이 증가함에 따라 파괴 인성이 증가되는 것은 다음 도 6에서와 같이 TiC0.5N0.5 그레인에 의한 균열 굴절(crack deflection)에 의한 것이다. 9, the flexural strength and fracture toughness of single-phase SiC and SiC-TiC 0.5 N 0.5 composites vary greatly depending on the initial TiN content. Fracture toughness increased with increasing TiN content and maximum value of 6.2 MPa m 1/2 at 35 volume% TiN. The increase in fracture toughness as the content of TiN increases is due to crack deflection by TiC 0.5 N 0.5 grain as shown in FIG.

또한, 다음 도 12∼13에서와 같이, 초기 TiN 함량이 증가함에 따라 입계 파괴 경향은 증가되었다. 또한, SiC의 파괴 모드는 부분적 입계 파괴(intergranular fracture) 및 부분적 입내 파괴(transgranular fracture)의 혼합된 모드를 나타냈다. Also, as shown in Figs. 12 to 13, the grain boundary fracture tendency was increased as the initial TiN content was increased. In addition, the fracture modes of SiC exhibited mixed modes of intergranular fracture and transgranular fracture.

반대로, STN35 의 파괴 모드는 입계파괴인데 이는 가압소결 후 냉각 과정에서 액상과 SiC 및/또는 TiC0.5N0.5 그레인 간의 열팽창계수의 차이에 의해 주로 발생된 약한 계면으로 인한 것이다. 입계 파괴가 증가된 경향을 보이는 것은 SiC와 TiC0.5N0.5 그레인 간의 열팽창에서의 큰 차이(Δα = 5×10-6/℃)에 기인한다. 이는 다음 도 10∼11에서와 같이 비커스 압입(Vickers indentation)에 의한 균열 전파 거동(crack path)의 관찰로부터 뒷받침될 수 있다. 이러한 결과는 Ti의 Y-Sc-Si-OCN 액상으로의 복합화는 입계 파괴를 개선시키고, 파괴인성을 증가시키는 결과를 가져온다.On the contrary, the failure mode of STN35 is intergranular fracture due to the weak interface, which is mainly caused by the difference in the thermal expansion coefficient between the liquid phase and the SiC and / or TiC 0.5 N 0.5 grain during the cooling process after pressure sintering. The increase in grain boundary fracture tends to be due to the large difference in thermal expansion (Δα = 5 × 10 -6 / ° C) between SiC and TiC 0.5 N 0.5 grains. This can be supported by observation of the crack path by Vickers indentation as shown in Figs. 10 to 11 below. These results show that the incorporation of Ti into Y-Sc-Si-OCN liquid phase improves intergranular fracture and increases fracture toughness.

Figure pat00003
단일상 SiC와 SiC-TiC0.5N0.5 복합체의
Figure pat00004
굴곡강도와 파괴 인성은 TiN 함량에 따라 달라진다. 에러 막대(error bar)는 두 데이터에서 평균값에 대하여 표준편차를 나타낸다. 반복 횟수는 굴곡강도와 파괴 인성 값을 계산하기 위하여 각각 5, 7회로 진행하였다.
Figure pat00003
Single-phase SiC and SiC-TiC 0.5 N 0.5 composite
Figure pat00004
Flexural strength and fracture toughness are dependent on the TiN content. The error bar represents the standard deviation of the mean value from the two data. The number of repetitions was 5 and 7 for the flexural strength and the fracture toughness, respectively.

몇몇 연구자들이 산화물 첨가제에 따른 SiC-TiN 복합체의 파괴 인성에 대해 보고한 바 있다: 10 wt% Al2O3-Y2O3 를 첨가하여 소결시킨 SiC-30 wt% TiN 복합체에서는 4.0 MPa m1/2; 10 wt% Y3Al5O12를 첨가한 SiC-5 wt% TiN 나노복합체에서는7.8 MPa m1/2이었다. Some researchers have reported the fracture toughness of SiC-TiN composites with oxide additives: 4.0 MPa m 1 for SiC-30 wt% TiN composites sintered with 10 wt% Al 2 O 3 -Y 2 O 3 / 2 ; In the SiC-5 wt% TiN nanocomposite with 10 wt% Y 3 Al 5 O 12 , it was 7.8 MPa m 1/2 .

TiN이 주요 상인 TiN-SiC 복합체에서는 더 낮은 파괴 인성 값이 보고되고 있는데, TiC와 Si3N4 파우더로부터 반응 소결시켜 제조된 TiN-25.3 vol% SiC 복합체에서는 5.5-6.0 MPa m1/2이고, TiN-5 wt% SiC 복합체에서는 3.6 MPa m1/2였다. In the TiN-SiC composite, which is the main phase of TiN, a lower fracture toughness value is reported, which is 5.5-6.0 MPa m 1/2 in the TiN-25.3 vol% SiC composite prepared by reaction sintering from TiC and Si 3 N 4 powder, And 3.6 MPa m 1/2 for TiN-5 wt% SiC composite.

따라서, 2 vol% Y2O3-Sc2O3를 첨가하여 소결시킨 SiC-35 vol% TiC0.5N0.5 복합체에서 얻어진 파괴 인성 값인 6.2 MPa m1/2는 SiC와 TiN으로 구성된 복합체로부터 보고된 것보다 더 높으며, SiC-5 wt% TiN 복합체에서 얻어진 값보다는 다소 낮다. 이러한 결과로부터 SiC-TiC0.5N0.5 복합체의 인성을 개선시키는 데 첨가제로서 Y2O3-Sc2O3 시스템이 보다 효과적이라는 것을 알 수 있다.
Therefore, the fracture toughness value of 6.2 MPa m 1/2 obtained from SiC-35 vol% TiC 0.5 N 0.5 composite sintered with 2 vol% Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 was reported from a composite composed of SiC and TiN And is somewhat lower than the value obtained in the SiC-5 wt% TiN composite. From these results, it can be seen that the Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 system is more effective as an additive to improve the toughness of the SiC-TiC 0.5 N 0.5 composite.

TiN 함량에 따른 SiC-TiC0.5N0.5 복합체의 굴곡 강도를 다음 도 9에 나타내었다. 동일한 조건하에서 제조된 단일상 SiC (546 MPa)보다 STN35를 제외한 모든 복합체에서 더 높은 굴곡강도 값을 나타냈다. (STN2-588 MPa, STN10-599 MPa, STN20-575 MPa) 단일상 SiC와 SiC-TiC0.5N0.5 복합체의 임계 결함 크기(critical flaw sizes)는 다음 수학식 3을 이용하여 계산하였으며, 준타원형인 표면 결함으로 가정하였다.
The flexural strength of the SiC-TiC 0.5 N 0.5 composite according to the TiN content is shown in FIG. Higher flexural strength values were obtained in all composites except STN35 than single-phase SiC (546 MPa) produced under the same conditions. (STN2-588 MPa, STN10-599 MPa, STN20-575 MPa) The critical flaw sizes of single-phase SiC and SiC-TiC 0.5 N 0.5 composites were calculated using the following equation (3) Surface defects.

(수학식 3)(3)

K IC = 1.35σc 1/2, K IC = 1.35? C 1/2 ,

여기서 K IC는 파괴 인성이고, σ는 강도이다.
Where K IC is the fracture toughness and σ is the strength.

STN0, STN2, STN10, STN20, 및 STN35의 계산된 임계 결함 크기(c)는 각각 ∼33, ∼38, ∼43, 54, 및 106 ㎛였다. 상기 c값은 모든 시편에서 평균 그레인 크기(SiC의 경우 1.9∼5.3㎛, TiC0.5N0.5의 경우 1∼5 ㎛)보다 더 큰 것을 알 수 있는데, 이는 외부 결함에서 온 파괴에 의한 것으로 볼 수 있다. The calculated critical defect size (c) of STN0, STN2, STN10, STN20, and STN35 were ~33, ~38, ~43, 54, and 106 um, respectively. It can be seen that the c value is larger than the average grain size (1.9 to 5.3 m for SiC and 1 to 5 m for TiC 0.5 N 0.5 ) in all specimens, which can be attributed to on-fracture in external defects .

도 14∼16은 각각 STN10, STN20, 및 STN35 시편에서의 전형적인 파괴 기원을 보여주고 있으며, 이들은 대부분 모든 시편에서 표면의 기공들이다. STN10, STN20, 및 STN35 시편의 기공 크기는 각각 ∼44, ∼54, 및 ∼106 ㎛이며, 상기 계산된 임계 결함 크기와 비슷한 값이다. 이는 TiN을 대량 (∼35 vol%) 으로 포함하는 SiC-TiC0.5N0.5 복합체의 공정이 단일상 SiC와 소량의 TiN을 포함하는 복합체에 비해 공정 결함에 더 취약함을 알 수 있으며, 이로 인해 더 큰 임계 결함 크기를 만드는 것으로 볼 수 있다. Figures 14-16 show typical fracture origins in the STN10, STN20, and STN35 specimens, respectively, which are surface pores in most of the specimens. The pore sizes of the STN10, STN20, and STN35 specimens are ~ 44, ~ 54, and ~ 106 micrometers, respectively, and are similar to the calculated critical defect size. It can be seen that the process of SiC-TiC 0.5 N 0.5 composites containing a large amount (~ 35 vol%) of TiN is more vulnerable to process defects as compared to composites comprising single-phase SiC and small amounts of TiN, It can be seen as creating a large critical defect size.

더 낮은 강도 (477 MPa)는 다른 시편에서 보다 STN35에서 더 큰 임계 결함 크기들이 존재하는 것과 관련된다. STN2, STN10, 및 STN20 시편들에서 강도가 증가하는 것은 복합체의 밀도 및 파괴 인성을 개선시키는 데 부분적으로 기여할 수 있다. SiC-5 wt% TiN 나노복합체에서 굴곡 강도가 545 MPa로 보고되고 있다. 따라서, 본 발명에서 얻어진 굴곡 강도 값은 보고된 값과 적어도 비슷하거나 더 우수한 것이다. The lower strength (477 MPa) is associated with the presence of larger critical defect sizes in STN35 than in other specimens. The increase in strength in the STN2, STN10, and STN20 specimens can partially contribute to improving the density and fracture toughness of the composite. The flexural strength of SiC-5 wt% TiN nanocomposites is reported to be 545 MPa. Therefore, the flexural strength values obtained in the present invention are at least as good or better than the reported values.

다음 도 17에서와 같이, 2 vol% Y2O3-Sc2O3 첨가제를 포함하는 SiC-TiC0.5N0.5 복합체의 비커스 경도(Vickers hardness)는 TiN의 함량이 0에서 35 부피%로 증가함에 따라 28.5에서 19.8 GPa로 감소하는 것을 알 수 있다. 이는 SiC에 비해 TiC0.5N0.5의 경도가 더 낮기 때문이다. 벌크 상태의 TiC0.5N0.5에 대한 경도에 대해서는 보고된 바가 없지만, TiC0.5N0.5의 경도는 벌크 상태의 TiN의 경도 값(13∼22 GPa)과 비슷한 것을 알 수 있다. 이는 두 물질이 비슷한 결정 구조와 동일한 금속 결합을 하고 있기 때문이다.As shown in FIG. 17, the Vickers hardness of the SiC-TiC 0.5 N 0.5 composite containing 2 vol% Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 additive increased from 0 to 35% by volume of TiN And it decreases from 28.5 to 19.8 GPa. This is because the hardness of TiC 0.5 N 0.5 is lower than that of SiC. The hardness for bulk TiC 0.5 N 0.5 is not reported, but it can be seen that the hardness of TiC 0.5 N 0.5 is similar to the hardness value (13-22 GPa) of TiN in bulk state. This is because both materials have the same crystal structure and the same metal bond.

Figure pat00005
SiC-TiN와 TiN-SiC 복합체의 경도는 19.0∼26.7 GPa인 것으로 보고되었다. 버커스 경도 값인 19.0와 26.7 GPa은 각각 10 wt% Y3Al5O12 포함된 SiC-5 wt% TiN 나노복합체와, 10 wt% Al2O3-Y2O3 포함된 SiC-5 wt% TiN 나노복합체에서 얻어진 것이다. TiN-5 wt% SiC 나노복합체에서는 버커스 경도값이 20 GPa, TiN-25.3 vol% SiC 나노복합체에서는 24.8 GPa의 경도 값을 나타냈다. 따라서, SiC-2 vol% TiC0.5N0.5 복합체에서 얻어진 경도 값인 25.5 GPa 는 상기 보고된 경도 값과 적어도 비슷한 것을 알 수 있다. 통상, 첨가제의 양이 적을수록 SiC에 기초한 복합체에서 높은 경도를 제공하는 것으로 알려져 있다. 따라서, 본 발명의 복합체에서 개선된 경도는 적은 양(2 부피%)의 산화물 첨가제만으로도 가능하며, 보고된 물질에 비해 더 미세한 미세 구조에 기인할 수 있다.
Figure pat00005
The hardness of SiC-TiN and TiN-SiC composites was reported to be 19.0-26.7 GPa. The SiC-5 wt% TiN nanocomposite with 10 wt% Y 3 Al 5 O 12 and the SiC-5 wt% SiC-5 wt% TiN nanocomposite with 10 wt% Al 2 O 3 -Y 2 O 3, TiN nanocomposite. In the TiN-5 wt% SiC nanocomposites, the hardness values of the Berkers hardness value were 20 GPa and the TiN-25.3 vol% SiC nanocomposites had hardness values of 24.8 GPa. Therefore, it can be seen that the hardness value of 25.5 GPa obtained in the SiC-2 vol% TiC 0.5 N 0.5 composite is at least similar to the reported hardness value. It is generally known that the lower the amount of additive, the higher the hardness in the composite based on SiC. Thus, the improved hardness in the composites of the present invention is possible with only a small amount (2 vol%) of the oxide additive and can be attributed to finer microstructure than reported materials.

κ= 열전도도
α= 열확산계수
C p = 비열(heat capacity)
ι= 포논 평균 자유 거리
V = 복합체에서 평균 음속
K IC = 파괴인성
σ = 굴곡강도
c = 임계결함 크기
κ = thermal conductivity
α = thermal diffusion coefficient
C p = heat capacity
ι = phonon mean free distance
V = average sonic velocity in the composite
K IC = fracture toughness
σ = flexural strength
c = critical defect size

Claims (9)

초기 복합체 조성에서 TiN의 함량이 전체 조성 중 10 부피%를 초과하지 않도록 첨가하여 이루어진 SiC-TiN 세라믹 복합체.
SiC-TiN ceramic composite prepared by adding TiN in an initial composite composition such that the content of TiN does not exceed 10% by volume of the total composition.
제1항에 있어서,
상기 TiN 함량은 전체 조성 중 0.1∼5 부피%인 것을 특징으로 하는 SiC-TiN 세라믹 복합체.
The method according to claim 1,
Wherein the TiN content is 0.1 to 5% by volume of the total composition.
제1항에 있어서,
상기 SiC-TiN 세라믹 복합체는 SiC-TiC(1-x)Nx이며, 여기서 x는 0.5인 것을 특징으로 하는 SiC-TiN 세라믹 복합체.
The method according to claim 1,
Wherein the SiC-TiN ceramic composite is SiC-TiC (1-x) N x , wherein x is 0.5.
제3항에 있어서,
상기 복합체는 Y2O3-Sc2O3 첨가제를 소결 조제로 첨가하여 가압소결 시킨것을 특징으로 하는 SiC-TiN 세라믹 복합체.
The method of claim 3,
Wherein the composite is a sintering aid and a Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 additive is added and sintered under pressure.
제4항에 있어서,
상기 Y2O3:Sc2O3 복합체는 1:1의 몰비로 혼합되는 것인 SiC-TiN 세라믹 복합체.
5. The method of claim 4,
Wherein the Y 2 O 3: Sc 2 O 3 composite is mixed at a molar ratio of 1: 1.
제4항에 있어서,
상기 Y2O3-Sc2O3 첨가제는 0.1∼2 부피%로 첨가되는 것인 SiC-TiN 세라믹 복합체.
5. The method of claim 4,
Wherein the Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 additive is added in an amount of 0.1 to 2% by volume.
제3항에 있어서,
상기 SiC-TiC0.5N0.5 복합체의 상대 밀도는 ≥98.5% 인 것인 SiC-TiN 세라믹 복합체.
The method of claim 3,
Wherein said SiC-TiC 0.5 N 0.5 composite has a relative density of ≥98.5%.
제1항에 있어서,
상기 SiC-TiN 세라믹 복합체는 SiC, TiN, 및 Y2O3-Sc2O3 소결 조제를 혼합한 혼합물을 2000∼2100℃의 온도, 30∼40 MPa의 압력에서 3∼4 시간 동안 가압소결시켜 제조된 것인 SiC-TiN 세라믹 복합체.
The method according to claim 1,
The SiC-TiN ceramic composite is obtained by press-sintering a mixture of SiC, TiN, and Y 2 O 3 -Sc 2 O 3 sintering aids at a temperature of 2000 to 2100 ° C and a pressure of 30 to 40 MPa for 3 to 4 hours &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; SiC-TiN &lt; / RTI &gt;
제1항에 있어서,
상기 SiC-TiN 세라믹 복합체는 상온에서 열전도도가 190-230 W/m K 범위이고, 굴곡강도가 500-600 MPa 범위이며, 비커스 경도가 19-27 GPa범위인 것을 특징으로 하는 SiC-TiN 세라믹 복합체.

The method according to claim 1,
Wherein the SiC-TiN ceramic composite has a thermal conductivity of 190-230 W / mK at room temperature, a flexural strength of 500-600 MPa, and a Vickers hardness of 19-27 GPa. .

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