탄화규소 세라믹은 어떻게 만들어지나요?

2025,09,23

탄화규소(SiC) 세라믹을 만드는 공정은 전통적인 점토 기반 세라믹과 상당히 다릅니다. 높은 온도와 특수한 기술이 요구되는 첨단 소재입니다.

다음은 탄화규소 세라믹이 원료부터 완제품까지 어떻게 만들어지는지에 대한 분석입니다.

핵심 반응: 애치슨 과정

여정은 탄화규소 분말 자체를 생산하는 것부터 시작됩니다. 가장 일반적인 방법은 발명자인 Edward G. Acheson(1891)의 이름을 딴 Acheson 프로세스입니다.

1. 원료 : 고순도 규사(SiO2)와 석유코크스(C)를 혼합한 것을 사용합니다.

2. 가열: 혼합물은 크고 길고 저항이 낮은 전기로(Acheson Furnace)의 중앙 흑연 도체 주위에 채워집니다.

3. 고온 반응: 엄청난 전류가 흑연 코어를 통과하여 주변 혼합물을 1700°C~2500°C(3100°F~4500°F) 사이의 온도로 가열합니다. 이 극심한 열에서는 화학 반응이 일어납니다.

SiO2 + 3C → SiC + 2CO

(실리카 + 탄소 → 탄화규소 + 일산화탄소 가스)

4. 결과: 이 공정에서는 큰 결정질 탄화규소 덩어리가 생성됩니다. 그런 다음 이러한 덩어리를 분쇄하고, 제분하고, 정제하여 세라믹 부품 제조의 출발점이 되는 미세하고 제어된 분말을 생산합니다.

분말에서 고체 세라믹까지: 성형 및 소결 방법

SiC 분말만으로는 강하고 조밀한 세라믹이 아닙니다. 고체 물체를 만들려면 분말을 모양으로 만든 다음 소결이라는 공정을 통해 함께 융합해야 합니다. 핵심 과제는 SiC가 강력한 공유 결합을 갖고 있어 소결이 매우 어렵다는 것입니다. 따라서 특별한 기술이 필요합니다. 세 가지 주요 방법은 다음과 같습니다.

1. 소결(고체소결)

이는 복잡한 모양의 부품을 만드는 가장 일반적인 방법입니다.

# 혼합: SiC 분말은 일반적으로 소량의 붕소(B)와 탄소(C)인 소결 보조제와 혼합됩니다. 탄소는 SiC 입자의 산화물 층을 제거하는 데 도움이 되고, 붕소는 원자 확산을 촉진합니다.

# 성형: 분말 혼합물은 "미소체"(소결되지 않은 형태)로 성형됩니다. 이는 다음을 통해 수행할 수 있습니다.

* 건식 프레싱: 단순한 형상을 위한 단축 또는 등압 프레싱.

* 압출: 튜브나 막대와 같이 길고 연속적인 모양에 사용됩니다.

* 사출 성형: 매우 복잡하고 복잡한 모양에 적합합니다.

# 소결: 성형체는 약 2000°C - 2100°C(3630°F - 3810°F) 온도의 불활성 대기(아르곤 등)에서 가열됩니다. 이 온도에서 입자는 접촉 지점에서 서로 확산되어 서로 결합하여 다공성이 최소화된 조밀하고 견고한 세라믹을 형성합니다.

결과: SSiC(소결 실리콘 카바이드). 순도가 높고 내마모성이 우수하며 기계적 강도가 좋습니다.

2. 반응 결합(또는 실리콘화)

이 방법을 사용하면 수축이 최소화된 거의 그물 모양의 부품이 생성됩니다.

# 성형: SiC 분말과 탄소(예: 흑연)의 혼합물이 다공성 미소체로 형성됩니다.

# 침투: 그린 바디는 진공 상태의 용광로에서 용융된 실리콘 금속(Si)과 접촉하게 배치됩니다.

# 반응: 용융된 실리콘은 모세관 작용에 의해 다공성 몸체로 끌어당겨집니다. 그런 다음 본체 내의 탄소와 반응하여 원래의 SiC 입자를 함께 결합시키는 새로운 탄화규소(Si + C → SiC)를 형성합니다.

# 과잉 실리콘: 반응으로 채워지지 않은 공간은 잔여 실리콘 금속으로 채워집니다.

결과: 반응 결합 탄화 규소(RBSC) 또는 규소화 탄화 규소. SSiC보다 밀도가 높지만 유리 실리콘이 5~15% 포함되어 있어 SSiC에 비해 고온 강도와 내화학성이 낮습니다.

3. 핫 프레싱

이 방법은 가장 높은 밀도와 강도를 생성하지만 비용이 더 많이 들고 단순한 모양으로 제한됩니다.

# 공정: SiC 분말(소결 보조제 포함)을 일반적으로 흑연으로 만들어진 다이에 넣습니다.

# 동시 열 및 압력: 다이는 매우 높은 단축 압력(수십 MPa)을 적용하는 동시에 소결 온도(~1900°C - 2000°C)로 가열됩니다.

# 이점: 열과 압력의 조합은 무압력 소결보다 더 낮은 온도에서 더 효과적으로 치밀화를 유도합니다.

결과: HPSiC(열간 압착 실리콘 카바이드). 이는 우수한 기계적 특성을 가지고 있지만 일반적으로 다이아몬드 공구를 사용하여 후속 가공이 필요한 플레이트 또는 블록과 같은 단순한 모양으로 생산됩니다.

최종 단계: 가공

소결 후 부품은 최종 형상에 가까워지지만 정밀 가공이 필요한 경우가 많습니다. SiC는 매우 단단하기 때문에(모스 척도 9.5, 다이아몬드에 가까움) 다이아몬드가 함침된 연삭 휠이나 도구를 통해서만 이 작업을 수행할 수 있습니다.

요약하면 탄화규소 세라믹을 만드는 것은 먼저 초경질 분말을 합성한 다음 특수 고온 기술을 사용하여 강하고 내구성이 있는 엔지니어링 재료로 치밀화하는 다단계 공정입니다.

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