열 DC 플라즈마 유래 Si-SiC 나노복합체 첨가제를 이용한 스파크 플라즈마 소결로 실리콘 카바이드 치밀화 향상

요약

비전이 아크 열 DC 플라즈마를 이용해 고체 상태 SiC 분말로부터 Si-코팅 SiC(Si-SiC) 나노복합체 입자를 합성했습니다. 이 입자들을 미크론 크기 SiC의 스파크 플라즈마 소결(SPS) 소결 첨가제로 사용했습니다. 최적 10 wt% Si-SiC 로딩과 0.2 wt% 활성탄 조합으로 1800°C, 1분 유지 조건에서 상대 밀도 97.1%, 비커스 경도 31.4 GPa를 달성했습니다. 이 연구는 나노 크기 효과와 발열성 실리콘-탄소 반응 결합을 활용한 저온 고밀도 SiC 제조 경로를 입증합니다.

배경

실리콘 카바이드 세라믹은 뛰어난 고온 경도, 내마모성, 낮은 열팽창, 내식성으로 터빈 블레이드, 디젤 엔진, 항공우주, 원자로에 필수적입니다. 그러나 공유 Si-C 결합과 느린 자기 확산으로 첨가제 없이 치밀화가 어렵습니다. 기존 고상 소결 SiC(SSS-SiC)와 액상 소결 SiC(LPS-SiC)는 1850°C 이상의 고온이 필요하고 종종 고온 성능을 저하시키는 2차 상을 도입합니다. 반응 결합 SiC(RB-SiC)는 낮은 소결 온도를 제공하지만 밀도가 낮습니다. 따라서 기계적 무결성을 유지하면서 소결 온도를 낮추는 것이 핵심 연구 과제입니다.

나노입자 SiC가 유망한 대안으로 부상했습니다. 높은 비표면적은 소결을 가속화하고 최종 특성을 향상시킬 수 있습니다. 우리는 비전이 열 DC 플라즈마로 SiC에 얇은 Si 층을 코팅하는 방법을 개발하여, 효과적인 최소 첨가제 치밀화제 역할을 하는 Si-SiC 복합 나노입자를 제조했습니다.

실험

미크론 크기 SiC 합성

Si(평균 25 µm, 99.9%)와 활성탄(32 µm)을 1:1.5 몰비로 혼합하고 15시간 볼 밀링했습니다. 혼합물을 Ar(1 L min⁻¹) 분위기에서 1300°C로 2시간 소성했습니다. 생성된 β-SiC 분말을 분쇄하여 사용했습니다.

플라즈마 생성 Si-SiC 나노입자

비전이 아크 열 플라즈마 반응기에서 미크론 SiC 분말을 2 mm 파이프로 70 V, 1 g min⁻¹로 공급했습니다. 시스템은 200 Torr, 30 L min⁻¹ Ar, 3 L min⁻¹ H₂, 300 A(45 V)로 작동했습니다. 나노입자를 반응기 벽에서 수집했으며, 수율은 80-85%였습니다.

스파크 플라즈마 소결

미크론 SiC와 Si-SiC 나노입자 혼합물(5-15 wt%)을 20 mm 흑연 다이에 80 MPa로 압축했습니다. SPS를 진공(10⁻² Torr)에서 승온 속도 600°C min⁻¹로 1600-1800°C까지 수행했습니다. 유지 시간은 1800°C에서 0-1분 범위였습니다. 일부 시료는 반응 결합을 촉진하기 위해 0.1-0.2 wt% 활성탄을 첨가했습니다. 밀도는 아르키메데스 법으로, 비커스 경도는 10 kgf 압자로 측정했습니다.

특성 분석

XRD(Cu-Kα)로 상 조성 평가, SEM(JSM-5900)과 TEM(JEM-2010)으로 형태 관찰, 소결 중 수축 변위 기록.

결과 및 고찰

XRD는 미크론 및 나노 시료 모두에서 β-SiC를 확인했으며, 나노 시료에는 부분 분해와 산화로 인한 미량 Si와 SiO₂도 포함되었습니다. SEM은 2-5 µm 미크론 입자와 20-70 nm Si-SiC 나노입자(비표면적 69 m² g⁻¹)를 보여줍니다.

소결 온도 증가에 따라 상대 밀도와 경도가 향상되었습니다. 1800°C, 1분 유지에서 90:10(SiC:Si-SiC) 혼합물은 88.2% 밀도와 21.2 GPa 경도에 도달했습니다. 0.2 wt% 활성탄 추가로 이 값이 97.1% 밀도와 31.4 GPa 경도로 더욱 증가하여, 나노입자 내 유리 실리콘과 탄소 간 효과적인 반응 결합을 나타냅니다.

미세구조 사진은 1800°C에서 2-4 µm로 결정립 성장을 보여주며, 발열성 실리콘-탄소 반응 하에서 치밀화가 가속화됩니다. 수축 데이터는 특히 활성탄 함유 시료에서 향상된 치밀화를 뒷받침합니다.

메커니즘적으로 Si-SiC 나노입자는 두 가지 방식으로 작용합니다: 높은 비표면적이 빠른 확산을 촉진(나노 크기 효과)하고, 유리 실리콘이 첨가된 탄소와 발열 반응하여 국부적으로 온도를 높이고 소결을 가속화(반응 결합 효과)합니다.

결론

열 DC 플라즈마로 제조된 Si-코팅 SiC 나노입자가 SiC 세라믹의 효율적인 저첨가제 치밀화제 역할을 함을 입증했습니다. 10 wt% 로딩과 0.2 wt% 활성탄 조합으로 1800°C에서 97.1% 상대 밀도와 31.4 GPa 비커스 경도를 달성하여 기존 방법을 능가했습니다. 나노 크기 확산 향상과 실리콘-탄소 반응 결합의 이중 기여는 저온 고성능 SiC 제조를 위한 실행 가능한 경로를 제시합니다.