다층구조를 갖는 다공성 반응소결 탄화규소 제조 및 기계적 특성

Abstract

반응소결 탄화규소(RBSC)는 내 부식성, 기계적특성, 열 충격이 우수하며 제조비용 낮아 engineering ceramic으로 가장 널리 사용되어왔다. 반응소결 탄화규소는 Si 용융온도 이상의 비교적 낮은 온도에서 제조할 수 있으며, 반응소결 공정 후 치수변화가 적어 적은 가공만으로 다양한 형상의 소결체 제조가 가능하다. 최근 다공성 반응소결 탄화규소는 차세대 고온가스세라믹 필터제조에 시도 되고 있지만, 용융 Si 침윤 공정시 각각의 다른 기공크기를 갖는 기공구조의 모세관력차가 다르기 때문에 순차적 기공구조를 형성하기 어렵다. 본 연구에서는 서로 다른 기공크기를 갖는 다층구조의 다공성 반응소결 탄화규소 제조공정이 개발되었다. 다층구조를 갖는 다공질 반응소결 탄화규소 지지층은 일반적인 용융 Si 침윤 공정으로 제조되었고 반응소결 탄화규소 지지층의 기계적 특성은 다공성 반응소결 탄화규소내 SiC 분말사이 neck두께 제어 및 조성 제어로 향상되었다. Phenol resin 과 미세 SiC분말로 구성되는 상부 coating층은 dip-coating공정으로 제조되었고 미세 기공구조를 갖는 다공성 반응소결 탄화규소의 반응소결은 Si의 용융 온도 이상에서 지지층내 잔류하는 잔류 Si을 상부층으로 침윤시켜 제조하였다. 본 연구에서 개발된 다층구조를 갖는 다공성 반응소결 탄화규소의 굽힘강도는 상온과 1000℃의 고온에서 각각 50 MPa과 65MPa이었으며, 반응소결 탄화규소 지지층의 기공율과 기공크기는 35%와 20㎛이었다.; Reaction bonded silicon carbide(RBSC) has been most widely used engineering ceramic in industries due to its excellent structural properties such as good corrosion resistance, moderate mechanical properties, good thermal shock resistance, and low fabrication cost. Reaction bonded silicon carbide could be fabricated at relatively low temperature just above Si melting temperature and it maintains its shape with a minimum dimensional change after reaction sintering process, which makes it possible that it requires minimum machining cost for various shapes. Recently, fabrication of porous RBSC was attempted to developed hot gas ceramic filter. However, it was found that the fabrication process of RBSC hot gas filter with gradient pore structure was difficult due to difference of capillary force in pore structure with different pore size during Si melt infiltration process. In this study, fabrication process for multi-layered porous reaction bonded silicon carbide with gradient pore size was developed. The support layer for multi-layered porous RBSC was fabricated by common Si infiltration process. The mechanical properties of RBSC support layer was improved by controlling the composition and microstructure of neck phase between SiC powder in porous RBSC. The porous RBSC top coating layer with fine pore structure was fabricated by in-situ Si infiltration process using residual Si in RBSC support layer. The top coating layer consisting of phenolic resin and fine SiC powder was coated by dip-coating process and then heated to the temperature above Si melting temperature to make Si melt forming in RBSC support layer infiltrate into top coating layer. The flexural strengths of the multi-layered porous RBSC developed in this study at room temperature and at 1000℃ were 50 MPa and 65 MPa , respectively. The porosity and pore size of RBSC support layer were 35% and 20㎛.