재료공학 기초 실험 - 세라믹 수축률 측정 Report
재료공학 기초 실험 - 세라믹 수축률 측정
재료공학 기초 실험 - 세라믹 수축률 측정
1. 실험 목적
세라믹 재료의 소결 전, 후의 dimension을 측정함으로써, 소결 거동을 살펴보고 세라믹 부품 또는 제품을 제조할 경우 최종 제품의 크기를 결정할 수 있도록 한다.
2. 이론적 배경
1) 소결 (Sintering)
일반적으로 금속이나 세라믹 재료가 기공을 포함하고 있는 물질의 기공 안으로 이동하 도록 녹는점 아래에서 열처리하는 것을 말하며, 분말체를 적당한 형상으로 성형한 것을 가열하여 서로 단단히 밀착하여 고결하는 현상을 소결이라 한다. 일반적인 고충진체의 소결 공정에서는 고체상태의 분말을 성형체 속에 넣고 프레스로 적당히 눌러 단단하게 만든 다음 그 물질의 녹는점에 가까운 온도로 가열했을 때 가루가 서로 접한 면에서 접합이 이루어지거나 일부가 증착(蒸着)하여 서로 연결되어 한 덩어리로 된다. 다공성 제품 혹은 물질의 경우 기공을 형성할 수 있는 물질을 함께 넣어서 기공을 형성하고 고체 상태의 분말은 서로 접한 면에서 접합이 이루어지도록 한다. 적당히 구멍이 있는 고체를 만들거나, 녹였을 때 혼합되지 않는 두 물질의 복합 재료(예를 들면 금속과 세라믹스)를 만드는 데 사용된다.
2) 소결단계
소결과정은 초기, 중기, 말기로 나누어 생각할 수 있다. 물론 소결수축이 없는 증발-응축 기구, 표면 확산 기구, 격자 확산 기구 등에서는 초기단계의 neck 형성만이 나타나는 것이 일반적이다. 소결수축이 있는 다른 기구에서도 이 3단계가 완전히 구분되어 일어나는 것은 아니고, 서로 어느 정도 겹쳐서 일어나는 것이 보통이다. 각 단계에서 일어나는 주요 현상을 정리해 보면 다음과 같다.
Mechanism
Number
Transport Path
Source of Matter
Sink of Matter
1
Surface Diffusion
Surface
Neck
2
Lattice Diffusion
Surface
Neck
3
Vapor transport
Surface
Neck
4
Boundary Diffusion
Grain Boundary
Neck
5
Lattice Diffusion
Grain Boundary
Neck
6
Lattice Diffusion
Dislocations
Neck
초기단계는 입자와 입자 사이에 neck가 형성되는 단계로써, 보통 소결수축이 약 3~5%까지 되는 단계를 말한다. 이 단계는 소결의 구동력이 크고 물질이동거리가 짧기 때문에, 소결이 빨리 일어나게 된다. 이 때, 기공들은 열린 기공(open pore)으로 존재하기 때문에 빈자리의 소멸에는 아무런 문제가 없으며, 약간의 결정립 성장이 일어난다. 다만, 이 단계가 끝나면 분말의 표면적은 상당히 줄어든다.
중기단계는 입자와 입자 사이가 상당히 접근되어 소결수축의 대부분이 일어나는 단계를 말한다. 그러나 neck 형성으로 구동력이 많이 감소되었고, 물질의 이동거리가 길어졌기 때문에, 그 소결속도는 초기단계 보다는 느려지게 된다. 이 단계에서 상당한 결정립 성장이 일어나며, 분말의 표면적은 크게 줄어진다. 이 때, 기공들은 결정립들이 서로 만나는 모서리를 따라 channel 형으로 형성되는데, 여전히 서로 연결된 열린 기공으로 존재하기 때문에, 빈자리의 소멸에는 아무런 문제가 없다. 다만, 표면 확산 기구나 증발-응축 기구에 의해 물질이 큰 기공표면에서 작은 기공표면으로 이동할 수 있기 때문에, 작은 기공은 소멸되고 큰 기공은 커질 수 있다.
말기단계는 기공률이 약 5~10%일 때부터 이론밀도에 이를 때까지의 단계이다. 이 단계에서도 상당한 결정립 성장이 일어나며, 기공들은 결정립 내부, 입계, 또는 입계가 만나는 곳에 독립적으로 닫힌 기공(closed pore)으로 존재하게 된다. 따라서 빈자리는 입계에서 소멸되게 되는데, 이 때 입계는 입자의 표면과 마찬가지로 빈자리가 사라지는 곳(sink) 역할을 한다. 이 입계의 역할은 소결의 속도가 시편의 크기에 무관한 사실로 잘 알 수 있다. 이 말기단계의
자료출처 : http://www.ALLReport.co.kr/search/Detail.asp?pk=11041371&sid=sanghyun7776&key=
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자료제목 : 재료공학 기초 실험 - 세라믹 수축률 측정
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키워드 : 재료공학,기초,실험,세라믹,수축률,측정
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