| 학회 | 한국재료학회 |
| 학술대회 | 2003년 가을 (11/21 ~ 11/22, 연세대학교) |
| 권호 | 9권 2호 |
| 발표분야 | 세라믹스 |
| 제목 | 자전연소합성법(SHS)에 의한 Si3N4의 반응기구와 NaCl 첨가의 영향 |
| 초록 | 1. 서 론 SHS법을 이용한 Si3N4의 제조는 N2분위기에서 금속 Si의 질화를 통해 이루어진다. SHS법에 의한 Si3N4의 제조에 있어, 연소특성은 높은 전파속도(10-4～10-3m/s), 높은 연소온도(1500～2000°C), 빠른 승온속도와 냉각속도를 포함한다. 또한 금속 Si의 질화특성은 N2분위기의 압력과 희석제의 조성 및 첨가제의 종류와 조성등에 따라 크게 달라진다. 희석제의 역할을 하는 NaCl은 반응온도를 낮추어 α-Si3N4의 제조에 도움을 주고 연소속도의 감소를 가져올 뿐 아니라 초기 용융 Si의 성장을 억제하여 수월한 질화반응을 유도하는 것으로 나타났다. 2. 실험방법 본 연구에서 사용된 원료분말은 Si(2～3㎛), NaCl(＜100㎛), NaN3(＜100㎛), NH4Cl(＜500㎛)이 사용되었고 질화반응을 위해 고순도 N2(99.98%)를 사용하였다. 평균입도 2～3㎛의 Si분말에 희석제(NaCl)와 첨가제(NaN3, NH4Cl)를 건식혼합하고 mold에 장입하고 N2가스 분위기에서 Ni-Cr wire를 이용하여 시편위에 장착된 ignition powder에 의해 점화되었다. 본 실험에서는 미리 계산된 열역학적 결과를 토대로 희석제로서 NaCl의 양을 0～20wt%까지 첨가하였다. 또한 첨가제로서 NaN3와 NH4Cl의 양을 각각 0～27.5wt%까지 첨가하였다. 3. 실험결과 및 고찰 자전연소합성법을 이용한 Si의 질화반응을 통한 α-Si3N4의 제조를 위한 최적반응계는 Si-N2-diluent(NaCl)-additive(NaN3+NH4Cl)이었고 자전연소반응에 의한 Si의 질화반응기구를 고찰하였다. 연소파의 전파에 의한 표면에서의 용융부분과 N2의 직접반응에 의한 의한 Si3N4 핵들의 형성과 이 부분에서의 용융 Si로의 N2의 확산에 의한 일방향 성장, 표면 용융부분에서의 기화 Si과 N2와의 직접질화 그리고 SiCl4의 존재와 분해에 의해 이루어짐을 알 수 있었다. 생성된 α-Si3N4는 용융 Si로부터 여러 방향으로 성장하는 부정형의 fiber형태를 가지고 있었고 β-Si3N4는 α-Si3N4로부터 결정화 되어 결정성이 증가된 fiber형태를 가지고 있었다. 또한 본 계에서의 희석제로서 NaCl이 반응성에 미치는 영향을 관찰하였다. 희석제로서 NaCl을 선택하여 반응초기에 용융 Si가 성장하는 것을 억제하여 완전한 질화반응을 유도하는데 보다 수월하였고 첨가제로서 NaN3와 NH4Cl를 동시에 사용함으로써 각각을 사용하여 보다 안전한 반응계를 유도할 수 있었으며 첨가제로부터의 생성물이 안전하고 제거하기 쉬운 NaCl로 형성되어 희석제의 역할까지 함으로써 보다 효율적으로 높은 분율의 α-Si3N4를 제조할 수 있었다. |
| 저자 | 임성재1, 윤기석2, 이종현2, 원창환1 |
| 소속 | 1충남대, 2급속응고신소재(연) |
| 키워드 | Si3N4; SHS; α-Si3N4 |
