탄화규소(SiC) 세라믹고온 구조 세라믹 분야에서 핵심 소재로 자리 잡은 이 소재들은 낮은 열팽창 계수, 높은 열전도율, 높은 경도, 그리고 우수한 열적 및 화학적 안정성을 지니고 있습니다. 항공우주, 원자력, 군사, 반도체 등 주요 분야에서 널리 사용되고 있습니다.
그러나 SiC는 매우 강한 공유 결합과 낮은 확산 계수로 인해 치밀화가 어렵습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 산업계에서는 다양한 소결 기술을 개발해 왔으며, 서로 다른 기술로 제조된 SiC 세라믹은 미세 구조, 물성 및 응용 분야에서 상당한 차이를 보입니다. 본 논문에서는 주요 실리콘 카바이드 세라믹 5종의 핵심 특성을 분석합니다.
1. 비압력 소결 SiC 세라믹(S-SiC)
핵심 장점: 다양한 성형 공정에 적합하고, 비용이 저렴하며, 형상 및 크기에 제한이 없어 대량 생산이 가능한 가장 간편한 소결 방법입니다. 미량의 산소를 함유한 β-SiC에 붕소와 탄소를 첨가하고 약 2000℃의 불활성 분위기에서 소결하면 이론 밀도가 98%에 달하는 소결체를 얻을 수 있습니다. 소결 방법에는 고상 소결과 액상 소결 두 가지가 있으며, 고상 소결은 밀도와 순도가 높고 열전도율과 고온 강도가 우수합니다.
일반적인 적용 분야: 내마모성 및 내식성 밀봉 링과 슬라이딩 베어링의 대량 생산; 높은 경도, 낮은 비중, 우수한 방탄 성능으로 인해 차량 및 선박의 방탄복은 물론 민간 금고 및 현금 수송 차량 보호용으로 널리 사용됩니다. 다중 충격 저항성은 일반 SiC 세라믹보다 우수하며, 원통형 경량 방탄복의 파괴점은 65톤 이상에 달할 수 있습니다.
2. 반응 소결 SiC 세라믹(RB SiC)
핵심 장점: 우수한 기계적 성능, 높은 강도, 내식성 및 내산화성; 낮은 소결 온도와 비용, 거의 최종 크기에 가까운 성형 가능. 이 공정은 탄소 공급원과 SiC 분말을 혼합하여 빌릿을 제조하는 것으로 시작됩니다. 고온에서 용융된 실리콘이 빌릿에 침투하여 탄소와 반응하여 β-SiC를 형성하고, 이는 기존의 α-SiC와 결합하여 기공을 채웁니다. 소결 중 크기 변화가 작아 복잡한 형상의 제품을 산업적으로 생산하는 데 적합합니다.
일반적인 적용 분야: 고온 소성로 장비, 복사관, 열교환기, 탈황 노즐; 낮은 열팽창 계수, 높은 탄성 계수 및 거의 최종 형상에 가까운 성형 특성으로 인해 우주 반사판에 이상적인 소재가 되었습니다. 또한 전자관 및 반도체 칩 제조 장비의 지지대로 석영 유리를 대체할 수 있습니다.
3. 고온 가압 소결 SiC 세라믹(HP SiC)
핵심 장점: 고온 고압 조건에서 동시 소결을 통해 분말이 열가소성 상태를 유지하므로 물질 전달 공정이 원활해집니다. 이를 통해 낮은 온도와 짧은 시간 내에 미세 입자, 고밀도, 우수한 기계적 특성을 지닌 제품을 생산할 수 있으며, 완전한 밀도와 거의 순수한 소결 상태를 달성할 수 있습니다.
일반적인 적용 분야: 원래 베트남 전쟁 당시 미군 헬리콥터 승무원용 방탄조끼로 사용되었으나, 이후 열간압축 탄화붕소로 대체되었습니다. 현재는 조성 제어, 순도 및 밀도에 대한 요구 사항이 매우 높은 분야, 내마모성 및 원자력 산업 분야와 같은 고부가가치 분야에서 주로 사용됩니다.
4. 재결정화된 SiC 세라믹(R-SiC)
핵심 장점: 소결 보조제를 첨가할 필요가 없어 초고순도 대형 SiC 소자를 제조하는 데 널리 사용되는 방법입니다. 이 공정은 조립 및 미립 SiC 분말을 적절한 비율로 혼합하여 성형한 후, 2200~2450℃의 불활성 분위기에서 소결하는 방식으로 진행됩니다. 미립자는 증발하고 조립자 사이의 접촉면에서 응축되어 다이아몬드 다음으로 높은 경도를 갖는 세라믹을 형성합니다. SiC는 고온 강도, 내식성, 내산화성 및 내열충격성을 유지합니다.
일반적인 적용 분야: 고온 가마 부품, 열교환기, 연소 노즐; 항공우주 및 군사 분야에서는 엔진, 꼬리 날개, 동체와 같은 우주선 구조 부품 제조에 사용되어 장비 성능 및 수명 향상에 기여합니다.
5. 실리콘 침투형 SiC 세라믹(SiSiC)
핵심 장점: 산업 생산에 가장 적합하며, 소결 시간이 짧고, 저온에서 소결되며, 완전 치밀하고 변형이 없습니다. SiC 기지와 침투된 Si 상으로 구성되며, 액체 침투법과 기체 침투법 두 가지 공정으로 나뉩니다. 기체 침투법은 비용이 더 높지만 밀도가 우수하고 자유 실리콘의 균일성이 뛰어납니다.
일반적인 적용 분야: 낮은 다공성, 우수한 기밀성 및 낮은 저항으로 정전기 제거에 유리하여 크고 복잡하거나 속이 빈 부품 생산에 적합하며 반도체 공정 장비에 널리 사용됩니다. 높은 탄성 계수, 경량성, 고강도 및 탁월한 기밀성으로 인해 항공우주 분야에서 선호되는 고성능 소재이며, 우주 환경의 하중을 견디고 장비의 정확성과 안전성을 보장합니다.
게시 시간: 2025년 9월 2일