Si3N4-Sic에 Al2O3와 Y2O3를 첨가하는 주요 기능은 무엇인가요? 세라믹 소결 최적화

주요 기능은 산화알루미늄($Al_2O_3$)과 산화이트륨($Y_2O_3$)이 $Si_3N_4$-$SiC$ 복합체 준비에서 필수적인 소결 조제 역할을 하는 것입니다.

질화규소($Si_3N_4$)는 강한 공유 결합을 특징으로 하는 내화 세라믹이기 때문에 본질적으로 치밀화에 저항성이 있습니다. 이러한 산화물 첨가제는 재료 표면의 미량 산화물과 반응하여 액상을 형성함으로써 이 장벽을 극복하고 복합체가 높은 밀도를 달성하도록 촉진합니다.

질화규소는 강한 원자 결합으로 인해 자체적으로 소결하기 어렵습니다. $Al_2O3$와 $Y2O3$는 액상 반응을 촉진하여 재료가 더 낮은 온도에서 효과적으로 치밀화되도록 함으로써 이 문제를 해결합니다.

질화규소 소결의 어려움

$Si_3N_4$는 내화 세라믹으로 분류됩니다. 이 명칭은 고온에서도 강도를 유지한다는 것을 의미하지만, 가공상의 어려움도 제시합니다.

이 재료는 강한 공유 결합으로 결합되어 있습니다. 이러한 결합은 우수한 기계적 특성을 제공하지만, 직접적인 고체 상태 소결을 통해 재료를 치밀화하기가 매우 어렵게 만듭니다.

도움 없이 $Si_3N_4$ 입자를 함께 결합하는 데 필요한 에너지는 엄청나게 높습니다.

이 재료를 사용 가능한 밀집된 복합체로 가공하려면 소결 메커니즘을 변경하기 위해 외부 시약을 도입해야 합니다. 여기서 산화물 첨가제가 중요한 역할을 합니다.

$Al_2O_3$와 $Y_2O_3$를 분말 혼합물에 첨가하면 비활성 상태로 남아 있지 않습니다.

가열 과정에서 이러한 첨가제는 원료 세라믹 재료 표면에 자연적으로 존재하는 미량 산화물과 반응합니다. 이 화학 반응은 소결 온도에서 액상을 형성합니다.

이 액상은 세라믹 입자 사이의 운반 매체 역할을 합니다.

이는 재료 이동을 촉진하여 입자를 효과적으로 재배열하고 입자 사이의 공극을 채웁니다. 이 메커니즘은 액상 소결로 알려져 있습니다.

이 메커니즘의 최종 결과는 조밀하고 단단한 구조입니다.

입자 이동을 촉진함으로써 첨가제는 $Si_3N_4$-$SiC$ 복합체가 높은 치밀화를 달성하도록 합니다. 또한, 내화 재료를 직접 소결하려고 시도하는 것보다 낮은 온도에서 공정이 발생하도록 합니다.

이러한 보조제의 효과는 기존 재료와의 상호 작용에 달려 있다는 점에 유의하는 것이 중요합니다.

이 메커니즘은 특히 원료 표면에 존재하는 미량 산화물과의 반응에 의존합니다. 이러한 표면 산화물의 존재와 분포는 필요한 액상 형성에 필수적입니다.

이러한 첨가제는 치밀화를 위한 에너지 장벽을 낮추지만, 공정은 여전히 온도에 민감합니다.

목표는 최종 복합체의 구조적 무결성을 손상시키지 않으면서 재료를 치밀화하기에 충분한 액상을 생성하는 것입니다.

복합체 준비에서 $Al_2O_3$와 $Y_2O_3$를 효과적으로 활용하려면 특정 가공 목표를 고려하십시오.

주요 초점이 높은 밀도인 경우: 첨가제의 충분한 분산을 보장하여 표면 산화물과 반응하고 공극을 효과적으로 채우는 균일한 액상을 촉진합니다.
주요 초점이 에너지 효율인 경우: 액상 메커니즘을 활용하여 더 낮은 가공 온도에서 완전한 치밀화를 달성하여 에너지 소비를 줄입니다.

이러한 소결 조제를 활용함으로써 가공하기 어려운 내화 분말을 조밀하고 고성능인 세라믹 복합체로 변환할 수 있습니다.

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Zeynep Taşlıçukur Öztürk, Nilgün Kuşkonmaz. Effect of SiC on the Properties of Pressureless and Spark Plasma Sintered Si3N4 Composites. DOI: 10.18185/erzifbed.442681

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