탄화규소(SiC) 세라믹낮은 열팽창 계수, 높은 열전도도, 높은 경도, 그리고 뛰어난 열적·화학적 안정성으로 고온 구조 세라믹 분야의 핵심 소재로 자리 잡았습니다. 항공우주, 원자력, 군사, 반도체 등 핵심 분야에서 널리 사용되고 있습니다.
그러나 SiC는 매우 강한 공유 결합과 낮은 확산 계수로 인해 치밀화가 어렵습니다. 이를 위해 업계에서는 다양한 소결 기술을 개발해 왔으며, 서로 다른 기술로 제조된 SiC 세라믹은 미세 구조, 특성 및 응용 분야에 있어 상당한 차이를 보입니다. 본 연구에서는 5가지 주요 탄화규소 세라믹의 핵심 특성을 분석합니다.
1. 비압력소결 SiC 세라믹(S-SiC)
핵심 장점: 다양한 성형 공정에 적합하고, 비용이 저렴하며, 형상과 크기에 제한이 없어 대량 생산이 가능한 가장 간편한 소결 방식입니다. 미량의 산소를 함유한 β-SiC에 붕소와 탄소를 첨가하고 불활성 분위기에서 약 2000℃의 온도로 소결하면 이론 밀도가 98%인 소결체를 얻을 수 있습니다. 소결에는 고체상과 액체상 두 가지 공정이 있는데, 고체상은 밀도와 순도가 높을 뿐만 아니라 열전도도와 고온 강도가 높습니다.
일반적인 용도: 내마모성 및 내부식성 씰링 링과 슬라이딩 베어링의 대량 생산. 높은 경도, 낮은 비중, 우수한 방탄 성능으로 인해 차량 및 선박의 방탄 장갑뿐만 아니라 민간 금고 및 현금 운반 차량 보호에도 널리 사용됩니다. 다중 충격 저항성은 일반 SiC 세라믹보다 우수하며, 원통형 경량 방탄 장갑의 파단점은 65톤 이상에 달할 수 있습니다.
2. 반응소결 SiC 세라믹(RB SiC)
핵심 장점: 우수한 기계적 성능, 고강도, 내식성, 내산화성; 낮은 소결 온도 및 비용, 거의 순크기에 가까운 성형 가능. 이 공정은 탄소원과 SiC 분말을 혼합하여 빌릿을 제조하는 과정입니다. 고온에서 용융 실리콘이 빌릿에 침투하여 탄소와 반응하여 β-SiC를 형성하고, 이는 원래 α-SiC와 결합하여 기공을 채웁니다. 소결 중 크기 변화가 적어 복잡한 형상의 제품을 산업적으로 생산하는 데 적합합니다.
대표적인 적용 분야: 고온 가마 장비, 복사관, 열교환기, 탈황 노즐; 낮은 열팽창 계수, 높은 탄성 계수, 거의 순형성 특성으로 인해 우주 반사경에 이상적인 소재가 되었습니다. 또한 전자관 및 반도체 칩 제조 장비의 지지 고정 장치로 석영 유리를 대체할 수 있습니다.
3. 열간압착 소결 SiC 세라믹(HP SiC)
핵심 장점: 고온 고압에서 동시 소결을 통해 분말은 열가소성 상태로 되어 물질 전달 공정에 유리합니다. 더 낮은 온도와 더 짧은 시간 안에 미세 입자, 고밀도, 우수한 기계적 성질을 가진 제품을 생산할 수 있으며, 완전한 밀도와 거의 순수한 소결 상태에 도달할 수 있습니다.
일반적인 응용 분야: 원래 베트남 전쟁 중 미국 헬리콥터 승무원을 위한 방탄조끼로 사용되었지만, 방탄복 시장은 열간 압착 붕소 카바이드로 대체되었습니다. 현재는 조성 제어, 순도, 고밀도화에 대한 요구 사항이 매우 높은 분야와 내마모성 및 핵 산업 분야와 같이 부가가치가 높은 분야에서 주로 사용됩니다.
4. 재결정 SiC 세라믹(R-SiC)
핵심 장점: 소결 보조제를 추가할 필요가 없어 초고순도 및 대형 SiC 소자 제조에 널리 사용되는 방법입니다. 이 공정은 거친 SiC 분말과 미세 SiC 분말을 비율에 맞춰 혼합하여 성형한 후, 2200~2450℃의 불활성 분위기에서 소결하는 과정입니다. 미세 입자는 거친 입자 사이의 접촉면에서 증발 및 응축되어 다이아몬드에 버금가는 경도를 가진 세라믹을 형성합니다. SiC는 높은 고온 강도, 내식성, 내산화성, 내열충격성을 유지합니다.
대표적인 적용 분야: 고온 가마 가구, 열교환기, 연소 노즐. 항공우주 및 군사 분야에서는 엔진, 꼬리 날개, 동체와 같은 우주선 구조 부품을 제조하는 데 사용되어 장비 성능과 수명을 향상시킬 수 있습니다.
5. 실리콘 침투 SiC 세라믹(SiSiC)
핵심 장점: 산업 생산에 가장 적합하며, 소결 시간이 짧고 온도가 낮으며, 밀도가 높고 변형이 없으며, SiC 매트릭스와 함침된 Si 상으로 구성되며, 액체 함침과 기체 함침의 두 가지 공정으로 나뉩니다. 기체 함침은 비용이 높지만, 자유 실리콘의 밀도와 균일성이 더 우수합니다.
일반적인 응용 분야: 낮은 다공성, 우수한 기밀성 및 낮은 저항성은 정전기 제거에 도움이 되며, 대형, 복잡 또는 중공 부품 생산에 적합하며 반도체 처리 장비에 널리 사용됩니다. 높은 탄성 계수, 경량, 고강도 및 뛰어난 기밀성으로 인해 항공 우주 분야에서 선호되는 고성능 소재로, 우주 환경의 하중을 견뎌내고 장비 정확성과 안전성을 보장할 수 있습니다.
게시 시간: 2025년 9월 2일