질화규소 세라믹은 어떤 재료에 속할까요?
새로운 유형의 첨단 세라믹 소재인 질화규소 세라믹은 점차 여러 산업 분야에서 우수한 성능과 폭넓은 응용 가능성을 입증하고 있습니다.
질화규소 세라믹의 기본 특성
실리콘 질화물 세라믹은 고순도 실리콘 질화물 분말을 고온, 고압 공정을 통해 합성하여 만든 무기 소재입니다. 화학식은 공유 화합물인 Si3N4입니다. 기본 구조 단위는 사면체의 중심에 실리콘 원자가 있고 사면체의 네 꼭지점에 4개의 질소 원자가 있는 [SiN4] 사면체입니다. 이 사면체는 3개마다 원자가 하나씩 공유되는 형태로 3차원 공간에서 연속적이고 견고한 네트워크 구조를 형성하여 실리콘 질화물 세라믹에 고강도, 저밀도, 고온 저항성 등 일련의 우수한 특성을 부여합니다.
질화규소 세라믹은 다이아몬드보다 약간 떨어지는 매우 높은 경도를 가지면서도 고강도, 고인성, 저밀도, 고온 저항성, 내식성, 내산화성, 저비중, 열충격 저항성 등의 우수한 특성을 가지고 있습니다. 이러한 특성으로 인해 질화규소 세라믹은 '다용도 세라믹', '블랙 세라믹 스틸', '첨단 세라믹 소재의 왕관 위의 진주'라는 찬사를 받으며 현재 가장 포괄적인 구조용 세라믹 소재 중 하나로 손꼽히고 있습니다.
질화규소 세라믹의 종류
실리콘 카바이드의 구조, 합성 방법, 형태 등에 따라 실리콘 질화물 세라믹은 실리콘 질화물 섬유, 나노 실리콘 질화물, 실리콘 질화물 복합 재료, 실리콘 질화물 박막, 실리콘 질화물 세라믹 볼 등 다양한 유형으로 세분화할 수 있습니다. 각 유형마다 고유한 성능과 용도가 있습니다:
실리콘 질화물 섬유: 고성능, 높은 수율, 화학적 내식성, 고온 저항성을 갖추고 있어 항공우주 및 자동차 엔진과 같은 고온 내성 부품에 이상적인 후보 소재입니다.
나노 실리콘 질화물: 인열 강도, 인장 강도, 내마모성이 높고 내부 마찰을 줄이고 고무의 동적 역학 및 열 노화 저항성을 향상시킬 수 있습니다. 세라믹, 엔진 부품 및 절삭 공구를 만들거나 내식성 및 전자기장 재료로 사용할 수 있습니다.
실리콘 질화물 복합 소재: 고온 저항, 낮은 유전율, 크리프 저항 등의 특성을 가지고 있으며, 일반적으로 산화 방지 특성을 가진 고성능 미사일의 안테나 커버를 만드는 데 사용됩니다.
실리콘 질화물 박막: 광전자 특성이 우수하고 화학적 안정성이 높으며 불순물 확산 및 수증기 침투에 대한 저항성이 강합니다.
질화규소 세라믹 볼: 높은 경도, 높은 내마모성, 내식성, 고온 저항성, 경량, 높은 가공 정확도, 자체 윤활 특성, 단열 특성 및 기타 특성으로 세라믹 베어링 및 하이브리드 세라믹 볼 베어링에 선호되는 재료입니다.
질화규소 세라믹의 제조 방법
실리콘 질화물 세라믹의 제조 방법에는 주로 반응 소결, 열간 프레스 소결, 대기압 소결, 대기압 소결 등이 포함됩니다. 다른 준비 방법으로 얻은 실리콘 질화물 세라믹은 미세 구조와 특성이 다릅니다:
반응 소결 방식: 먼저 실리콘 분말을 원하는 모양의 녹색 몸체로 압착하고 질화로에서 사전 질화 소결 처리를 수행하여 일부 실리콘 분말이 질소와 반응하여 질화 실리콘을 생성합니다. 이 방법은 비용이 저렴하지만 질화 시간이 길어 복잡한 모양과 정밀한 치수의 부품을 제조하는 데 적합합니다.
핫 프레싱 소결 방식: 질화규소 분말과 소량의 첨가제(MgO, Al2O3 등)를 고압(1916MPa 이상)과 고온(1600℃ 이상)에서 열압착 및 소결하는 방식입니다. 이 방법으로 생산된 질화규소 세라믹은 우수한 기계적 특성, 고강도, 고밀도를 갖지만 제조 비용이 높고 소결 장비가 복잡하다는 단점이 있습니다.
대기압 소결 방식: 저압(보통 1기압)과 고온(1700, 1800℃)에서 소결한 후 고온(1800, 2000℃)에서 압력 소결합니다. 이 방법으로 얻은 질화규소 세라믹의 성능은 열간 프레스 소결 방법보다 약간 낮지만 비용은 저렴합니다.
압력 소결 방식: 소결은 높은 질소 압력(1-10MPa)과 온도(약 2000℃)에서 수행됩니다. 이 방법은 질화규소의 고온 분해를 억제하고 세라믹 구조의 치밀화를 촉진하며 세라믹의 강도를 향상시킬 수 있습니다.
질화규소 세라믹의 응용 분야
질화규소 세라믹은 우수한 특성으로 인해 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다:
기계 산업: 절삭 공구, 세라믹 베어링, 터빈 로터 등과 같은 주요 부품을 생산하여 기계 장비의 내마모성, 고온 저항성, 서비스 수명을 개선하는 데 사용됩니다.
자동차 산업은 밸브, 로커 암 개스킷, 씰, 터빈 블레이드, 용접 설비 등과 같은 엔진 부품에 광범위하게 적용되어 새로운 고온 구조용 소재 개발의 새로운 시대를 열어가고 있습니다.
항공우주: 우주선의 고온 구조 부품과 산화 방지 층을 만드는 데 사용되어 우주선의 고온 저항성과 산화 방지 특성을 개선합니다.
전자 산업: 방열 기판, 절연 링, 커버 플레이트, 반도체 공정 장비의 부품 등 전자 기기 포장재 생산에 사용됩니다.
바이오메디컬: 생체 적합성, 골 전도성, 세포 등 생체 조직과의 친화성이 우수하여 인체 임플란트 소재로 사용됩니다.
질화규소 세라믹은 종합적인 성능이 우수한 새로운 유형의 무기 소재로서 여러 분야에서 광범위한 응용 전망과 막대한 발전 잠재력을 보여주었습니다.