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방전플라스마 소결에 의한 단일 탄화붕소 세라믹스의 고온 굽힘강도

전문가 제언: ○ 탄화붕소는 실용 세라믹스 중에서 최고의 경도와 경량 성을 가지고 있으며 높은 탄성률을 가지며 비 강성(탄성률/비중)이 다른 세라믹스, 탄소섬유, 복합재료나 베릴륨 합금과 비슷하기 때문에 내 마모 부재나 비 강성이 높은 경량 부재로 기대되고 있다.
○ 뛰어난 특성을 나타내는 탄화붕소는 실용 세라믹스로 광범위하게 이용되고 있는 탄화규소와 비교하면 소결이 매우 어렵다. 현재는 가압 소결법이 이용되고 있기 때문에 제조비용이 매우 높고 제조할 수 있는 형상이나 크기 등에도 큰 제약이 있다. 따라서 지금까지의 탄화붕소의 상압 소결 법은 소결조제를 첨가하는 것이 대부분으로 탄화붕소가 갖는 고경도, 경량성이라는 장점이 손상되기 때문에 소결조제를 대량으로 사용하는 것은 피해야 한다.
○ 본고에서는 탄화붕소의 소결방법으로 입자의 조대 화를 피하기 위한 높은 가열속도가 가능한 방전플라즈마 소결(SPS)법을 사용하였다. 불순물이 함유된 시판용 탄화붕소를 사용하여 Ar과 N2분위기중 실온-1600℃에서 굽힘 강도시험을 통해 강도의 증가원인을 SPS중 시편 조성의 변화를 추적하여 조사한 내용이다. 질소를 함유한 상들은 굽힘 강도를 증가시키나 Si를 바탕으로 하는 이차 상과 층상 흑연을 포함하면 강도가 떨어지는 경향을 나타냈다. 굽힘 강도에 대한 뽑힘, 미끄럼 메커니즘이 제안되었으나 더 많은 연구가 필요하다고 생각한다.
○ 일본 산업기술 종합연구소에서 2000년대 후반, 국내 각 대학 재료공학 관련 학과와 KICET에서는 2010년대에 활발히 연구가 진행된 연구로 탄화붕소 분말의 표면에 존재하는 붕소산화물의 원자간 결합을 약하게 하거나 끊어지게 함으로서 메타붕산(HBO3)의 형성을 용이하게 하여 제거하는 초음파 세정법과 불순물 제거 배기 및 소결용 다단계 소결방법, 방전플라즈마 소결 법, 율속 제어 등의 상압 소결법이 시도되고 있다.
○ 탄화붕소의 고경도 및 비 강성뿐만 아니라 TiB2 등의 첨가에 의한 파괴인성 증진에 대한 연구들도 진행되고 있어 방탄용 및 원자력 발전소의 중성자 차폐재료로서 지속적인 연구가 필요하다고 생각한다.

저자: Oleg Vasylkiv, Dmytro Demirskyi et.al
자료유형: 니즈학술정보