알루미나 세라믹 소개
알루미나 세라믹은 높은 경도, 고온 저항, 내산화성, 내식성, 높은 전기 절연성, 낮은 유전 손실과 같은 뛰어난 특성을 가지고 있어 가장 널리 생산되고 적용되는 고급 세라믹 재료가 되었습니다. 그들은 야금, 화학, 전자 및 생물 의학을 포함한 다양한 산업에서 광범위하게 사용됩니다.
이러한 세라믹은 종종 구성에 포함된 Al2O3 함량에 따라 분류됩니다. 예를 들어, "75 도자기"에는 약 75%의 Al2O3가 포함되어 있습니다. 소결 온도가 낮기 때문에 75 도자기의 생산 비용은 다른 알루미나 세라믹에 비해 상대적으로 낮습니다. 그러나 평균 성능으로 인해 대부분의 응용 프로그램에서 단계적으로 중단되었습니다.
Al2O3 함량이 약 85%인 "85 도자기"에는 세라믹의 기계적 강도와 전기적 특성을 향상시키기 위해 활석 가루와 같은 첨가제가 포함되는 경우가 많습니다. 이 유형은 전기 진공 장치 제조에 일반적으로 사용됩니다.
약 95%의 Al2O3를 함유한 "95 도자기"는 주로 내식성 및 내마모성 부품에 사용됩니다.
Al2O3 함량이 99%인 "99 포세린"은 내열성, 내마모성, 내식성이 뛰어납니다. 이는 세라믹 베어링, 용광로 튜브 및 도가니와 같은 특수 내화물 및 내마모성 장치에 적용됩니다.
Al2O3 함량이 99.9%를 초과하는 세라믹은 "고순도 알루미나 세라믹"으로 알려져 있습니다. 소결온도가 1650℃를 넘는 이 세라믹은 투과율 특성을 갖고 있어 나트륨 램프 튜브와 같은 장치에 적합합니다. 또한 집적 회로 기판 및 고주파 절연 재료와 같은 전자 부품에도 사용됩니다.
알루미나 세라믹의 소결 기술
2.1 무압력 소결
무압력 소결은 외부 압력 없이 대기 조건에서 성형체를 소결하는 과정을 포함합니다. 재료는 일반적으로 재료 녹는점의 0.5~0.8 범위의 온도에서 외부 압력 없이 소결되기 시작합니다. 이 온도에서의 고상 소결은 충분한 원자 확산을 가능하게 합니다. 단순성과 비용 효율성으로 잘 알려진 이 방법은 산업 생산에 널리 사용됩니다. 다양한 모양과 크기의 재료를 소결할 수 있어 나노세라믹에 널리 사용됩니다. 급속 소결 및 2단계 소결과 같은 고급 소결 기술이 이 방법에서 발전했습니다.
2.1.1 기존 소결
기존 소결에는 재료를 전통적인 1단계 속도로 최대 소결 온도까지 가열하고 일정 기간 유지한 다음 실온으로 냉각하는 과정이 포함됩니다. 이 방법은 우수한 분말 특성, 높은 압분 밀도 및 균일한 구조를 지닌 쉽게 소결 가능한 재료에만 효과적인 것으로 간주됩니다. 연구에서는 세라믹 소결에 대한 성형 압력과 분말 입자 크기의 영향을 조사했습니다. 기존의 무압력 소결을 사용하여 Li et al. 10°C/min의 속도로 1450°C까지 1시간 동안 가열하여 90nm의 입자 크기와 약 90%의 밀도를 갖는 알루미나 나노 세라믹을 달성했습니다. 이 연구에서는 압분체 밀도, 세라믹 밀도 및 성형 압력 사이에 양의 상관관계가 있음을 발견했으며, 이는 나노세라믹의 무압력 기존 소결을 위해 균일하고 밀도가 높은 압분체를 달성하는 것이 중요하다는 점을 강조합니다.
2.1.2 2단계 소결
Chu 등이 제안한 그림 1a와 1b에 설명된 것처럼 이 방법에는 두 가지 기본 형태가 있습니다. 및 Chen et al., 각각. 전자는 초기 저온 소결, 이어서 고온 소결 및 냉각을 포함합니다. 이 방법은 세라믹의 미세 구조를 더 잘 제어하고 특성을 향상시키지만 종종 세라믹 입자 크기가 더 커집니다. 후자의 기술은 부분 치밀화가 발생하는 온도(t1)로 성형체를 가열하는 것과 관련되며, 상대 밀도는 75%에서 90% 사이입니다. 일부 기공은 준안정 상태로 남아 있습니다. 그런 다음 온도는 상대적으로 낮은 t2로 낮아지고 장기간 유지됩니다. 이는 입자 성장을 억제하면서 더 낮은 온도에서 확산을 통해 최종 치밀화를 허용하고 소결된 세라믹의 기계적 특성을 향상시킵니다. 이 방법의 핵심은 소결 후기 단계에서 결정립계 이동을 억제하기 위해 결정립계 이동과 확산 사이의 역학적 차이를 활용하는 데 있습니다. 소결 초기 단계에서 입자 조대화를 억제하는 데 초점을 맞춘 급속 소결에 비해 이 방법은 나노 세라믹 제조에 더 효과적인 것으로 입증되었습니다.
그림 1
2.2 열간압착 소결
핫 프레싱 소결에는 고온에서 단축 응력을 가하면서 분말을 가열하는 작업이 포함됩니다. 이는 소결체가 외부 압력 하에서 재료 이동을 통해 주로 치밀화되도록 합니다. 열간압착은 진공, 대기, 연속으로 분류할 수 있으며, 소결온도는 대기소결에 비해 훨씬 낮다. 알루미나의 경우 대기압에서의 기존 소결에는 1800℃까지 가열이 필요한 반면, 열간 프레싱(20MPa에서)에는 약 1500℃만 필요합니다. 또한, 더 낮은 온도에서 소결하면 입자 성장이 억제되어 기공률이 낮고 강도가 높은 치밀하고 세밀한 소결체를 얻을 수 있습니다. Kearet al. Al2O3 분말을 8GPa 압력, 800℃에서 15분간 소성하여 입도 50nm 이하, 밀도 98%의 나노알루미나 세라믹을 제조하였다.
핫 프레싱에는 분말을 사전 성형하거나 금형에 직접 넣는 작업이 포함되므로 공정이 간단합니다. 소결된 제품은 이론적으로 99%에 달하는 높은 밀도를 가지고 있습니다. 그러나 이 방법은 복잡한 형상의 제작이 어렵고, 생산규모가 작고, 비용이 많이 드는 등의 한계가 있다.
2.3 열간 등압성형 소결
본질적으로 열간 등압 성형은 열간 성형의 변형입니다. 이는 고온의 기체 환경에서 성형체를 소결하여 모든 방향에서 압력을 가하는 과정을 포함합니다. 이는 생산된 세라믹 재료의 밀도를 더욱 향상시킵니다. 열간 등방압 프레싱은 소결 시간 단축, 소결 온도 저하, 균일한 미세 구조, 우수한 성능 등 여러 가지 장점을 제공합니다. 그러나 높은 장비 비용, 공정 중 많은 양의 가스 소비, 봉지재의 연화 온도로 인한 제한으로 인해 대규모 적용에 어려움이 있습니다.
2.4 고진공 소결
고진공 소결은 진공도가 높은 환경에서 소결하는 것을 포함합니다. 왕 외. 고순도 알루미나(순도>99.99%)를 원료로 등방압 프레싱 기술을 적용하여 진공에서 1500℃에서 소결하였습니다. 생성된 고순도 알루미나 세라믹은 높은 굽힘 강도와 2~3μm의 입자 크기를 포함하여 우수한 성능을 나타냈습니다. Gustavoet al. 상대 밀도와 굽힘 강도가 높은 알루미나 세라믹을 생산하기 위해 고진공 소결을 사용했습니다. 연구에 따르면 고순도 알루미나 세라믹의 고진공 소결은 결정립계의 불순물을 줄일 뿐만 아니라 다공성의 가능성도 감소시키는 것으로 나타났습니다.
2.5 마이크로파 소결
마이크로파 소결에는 마이크로파 전자기장과 재료 매체의 상호 작용이 포함되어 유전 손실을 일으키고 재료의 표면과 내부가 동시에 가열됩니다. Lu 등의 결과는 고순도 α-Al2O3 세라믹의 마이크로파 소결이 기존 소결 방법에 비해 이점을 제공한다는 것을 나타냅니다. 여기에는 더 낮은 소결 온도, 대폭적인 소결 시간 단축, 소결 전후의 입자 크기 변화 최소화, 보다 균일하고 조밀한 소결체 등이 포함됩니다. 이는 나노치과용 세라믹 재료 개발에 중요한 과정을 제공합니다.
마이크로파 소결의 이점에는 빠른 가열 속도, 빠른 소결 및 입자 미세화 가능, 균일한 내부 온도 필드로 세라믹 제품의 균일한 가열, 수리 또는 결함 치유를 위한 재료 부품의 선택적 가열, 에너지 효율성(최대 50%), 즉각적인 온도 변화에 대한 열 관성이 없습니다. 그러나 공정을 최적화하려면 마이크로파 공동 내 전자기장 특성 및 분포, 마이크로파-재료 상호 작용, 재료 변형 및 열 전달 메커니즘에 대한 자세한 이해가 여전히 필요합니다. 마이크로파 소결은 상대적으로 새로운 기술이기 때문에 산업적 구현에는 상당한 시간이 걸릴 수 있으므로 향후 연구의 초점이 됩니다.
2.6 스파크 플라즈마 소결(SPS)
Spark Plasma Sintering은 펄스 에너지, 방전 펄스 압력, 줄열(Joule Heating)에 의해 생성된 순간 고온 장을 활용하여 재료를 소결 온도까지 가열합니다. 기존 소결 방식에 비해 Spark Plasma는 최대 1000℃/min의 가열 속도로 높은 온도를 생성할 수 있습니다. 플라즈마에 의해 입자 표면이 활성화되어 소결 치밀화가 촉진되어 소결 효율이 높아집니다.
SPS 기술은 낮은 소결 온도, 짧은 유지 시간, 빠른 가열 속도, 조정 가능한 소결 압력, 다중 필드 결합(전기-기계-열) 달성 능력 등 여러 가지 장점을 제공합니다. SPS 기술은 Al2O3와 같은 일반적인 세라믹 외에도 ZrB2, HfB2, ZrC, TiN과 같은 소결이 어려운 재료를 준비하는 데에도 사용할 수 있습니다.
스파크 플라즈마 소결 기술
