[공학]세라믹재료의 용도

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2000.09.15
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2000.09
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질화규소
질화붕소
탄화규소
탄화붕소,
질화알루미늄,
질화티탄

본문내용

질화규소 (窒化硅素, Si3N4)


⑴ 질화규소의 성질

질화규소가 처음으로 합성된 것은 오래 전이었으나 공업적으로의 이용은 비교적 최근이다. 내열성과 내침식성을 필요로 하는 노재의 일부와 고경도, 고강도 등 기계적 특성이 우수하므로 연마재를 비롯하여 mechanical seal등의 부품에 이용되어 왔다. 그러나 최근에는 고온구조재료로서 세라믹재료가 주목되기 시작하였으며 질화규소도 그 중에 중요한 재료의 하나로 되어 있다.

① 결정학적 성질
질화규소는 육방정계에 속하는 저온형인 α-Si3N4와 고온형인 β-Si3N4 결정 및 비정질 Si3N4가 있다.
α-형을 1400~1600℃로 가열하면 β-형으로 전이하지만 β-형에서 α-형으로의 전이는 일어나지 않는다. α-Si3N4는 결정구조중에 소량의 산소를 함유하는 산질화물(酸窒化物)이라는 주장도 있었으나 그 후 산소 함유량이 거의 없는 α-Si3N4의 합성이 보고됨으로써 Si-N 화합물로서 α-Si3N4가 존재한다는 것이 확인 되었다. 그러나 소량의 산소를 함유하게 되면 α-상의 함유물이 shb은 질화규소가 얻어지는 것으로 보아 α-Si3N4는 소량의 산소를 고용하기 쉬운 물질로 되어있다. 즉, α-형은 저온, 저산소분압에서 안정하며 β-형은 고온, 저산소분압에서 안정하다.
질화규소 결정구조의 기본은 Si3N4 사면체를 형성하고 있는 각 모서리의 N가 3개의 사면체와 공유하고 있다. 실제 질화규소 구조에서 β-Si3N4(Z=2)형은 단위격자가 Si6N8이며 화학양론적인 Si3N4의 이상형과 거의 같다. 그러나 α-Si3N4형의 단위격자는 Si12N16으로 되어 있고, 단위격자 중에 원자나 이온이 들어갈 수 있는 2개의 비교적 큰 공간이 있으며 N 원자가 이 공간의 중심으로 약간 이동된 변형된 이상형을 가지고 있다. 그러므로 α-Si3N4 결정구조 속에 어느 정도 산소를 함유(고용산소)할 수 있다고 생각되며, 이때의 조성은 Si3N4-Si11.5N15O0.5로 나타낼 수 있다.

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