소성 알루미나는 세라믹 산업 발전에 중요한 지원이 되었습니다.
고온에서 소성된 산업용 알루미나로 만든 무기 비금속 재료인 소성 알루미나는 여러 가지 놀라운 특성을 가지고 있습니다. 첫째, 높은 경도가 특징입니다. 모스 경도는 9로 다이아몬드에 이어 두 번째로 높습니다. 이로 인해 소성 알루미나로 만든 세라믹 제품은 뛰어난 내마모성을 지니며, 장기간 사용 시에도 외관과 구조적 안정성을 유지합니다. 둘째, 뛰어난 고온 내성을 지녀 수천 도를 넘는 고온에서도 변형이나 손상 없이 견딜 수 있어 고온 세라믹 분야에서 특히 유용합니다. 또한, 소성 알루미나는 뛰어난 화학적 안정성을 나타내며 다른 물질과 화학 반응을 일으키지 않아 세라믹 제품의 안정적인 성능을 보장합니다.
유약에서 소성 알루미나의 주요 기능
고순도, 고경도, 뛰어난 화학적 안정성으로 인해 소성 알루미나는 유약, 특히 가정용 세라믹, 건축용 세라믹, 특수 세라믹에 널리 사용됩니다. 실제 적용 시, 유약 표면의 경도와 내마모성을 크게 향상시켜 사용 중 긁힘과 마모를 효과적으로 줄여 세라믹 제품의 수명을 연장합니다. 또한 유약의 화학적 안정성을 향상시켜 산 및 알칼리 부식 위험을 줄이고 제품의 내오염성과 내구성을 향상시킵니다. 또한, 소성 알루미나를 적절히 첨가하면 유약의 용융 온도와 점도를 조절하여 유동성을 향상시키고, 핀홀 및 유약 수축과 같은 결함을 방지하여 더욱 매끄럽고 균일한 유약 표면을 얻을 수 있습니다. 또한, 고유한 광학적 특성은 유약의 광택을 조절하여 무광 유약에 섬세한 질감을 더하고 광택 유약의 광택 균일성을 향상시켜 다양한 세라믹 제품의 디자인 요구 사항을 충족합니다.
안료 적용 시, 소성 알루미나는 산화철 및 산화코발트와 같은 금속 산화물 안료의 안정적인 운반체 역할을 하고, 고온에서 안료의 휘발 또는 확산을 억제하며, 유약의 블루밍 및 탈색을 방지할 수 있습니다. 특히 고온 유약에서 색상 농도와 색조의 일관성을 유지하여 풍부하고 오래 지속되는 세라믹 장식 효과를 얻는 데 도움을 줍니다. 세라믹 유약의 고성능 및 고안정성 개발을 촉진하는 핵심 요소입니다.
마그네시아-칼슘 내화물에서 희토류 산화물의 작용 메커니즘
원소의 특성은 성능을 결정하며, 희토류 원소도 예외는 아닙니다. 희토류 원소의 성능은 특성과 밀접한 관련이 있습니다. 경도, 결정 구조, 녹는점과 같은 물리적 특성을 결정하는 주요 요인은 원자 반지름과 이온 반지름입니다. 희토류 금속은 원자 번호가 증가함에 따라 녹는점이 높아지지만, 이러한 경향은 일정하지 않습니다. 희토류 원소는 일반적으로 최외각 s 및 d 오비탈 전자를 잃고 +3 원자가 상태를 형성하여 희토류 산화물을 형성합니다. 이 +3 원자가 상태는 희토류 원소의 특징적인 산화 상태입니다. 희토류 산화물은 녹는점이 2000°C를 초과하며 비휘발성입니다. 희토류 산화물은 전자 전도성과 이온 전도성을 모두 가진 혼합 전도성 반도체입니다. 전자 전도성은 전자와 정공의 전도를 의미하며, 이온 전도성은 산소 공극 내에서 산소 이온의 이동, 즉 본질적으로 산소 이온 전도를 의미합니다.
4f 전자의 광학적 및 자기적 특성을 기반으로 희토류 원소를 매트릭스 구성 요소 또는 기능 중심으로 직접 사용하는 것 외에도, 화학 반응성 및 큰 이온 반경과 같은 화학적 특성을 활용하여 재료의 미세 구조를 변형하여 성능을 향상시킬 수 있습니다. 희토류 도핑된 기능성 반도체 세라믹이 대표적인 예입니다. 내화 재료에 희토류 산화물을 첨가하면 재료의 고유 강도와 인성을 향상시킬 뿐만 아니라 소결 온도와 생산 비용도 절감할 수 있습니다.
무독성, 고효율, 그리고 고유한 물리적 및 화학적 특성으로 인해 희토류 화합물은 야금, 화학 공학, 세라믹 분야의 주요 응용 분야에서 수소 저장 및 발광과 같은 고성능 복합 재료 분야의 고급 응용 분야로 발전하면서 광범위한 응용 분야에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 세라믹 재료에 희토류 산화물을 적용하는 연구는 광범위한 관심을 불러일으켰습니다. 연구에 따르면 희토류 산화물을 첨가하면 세라믹 재료의 성능이 크게 향상되어 다양한 응용 분야에서 품질과 성능을 보장할 수 있습니다. 또한, 희토류 산화물은 플럭스로서 소결을 촉진하고, 세라믹의 미세 구조를 개선하며, 도핑 및 개질을 제공할 수 있습니다.
희토류 산화물은 첨가제로서 내화 재료의 특성을 개선하여 성능 향상 및 새로운 기능 부여에 있어 독특하고 중요한 이점을 보여줍니다. 소량의 희토류 산화물을 첨가하면 마그네시아-칼슘 내화물의 밀도가 증가하여 밀도와 내식성이 향상됩니다.
희토류 산화물은 마그네시아-칼슘 내화물의 첨가제로 사용되어 소결성, 치밀성, 미세 구조, 결정상 조성, 상온 굽힘 강도 및 파괴 인성을 향상시켜 마그네시아-칼슘 내화물에 대한 시장 성능 요건을 충족합니다. 마그네슘-칼슘 내화물에 희토류 산화물을 첨가하는 세 가지 주요 메커니즘이 있습니다. (1) 플럭스로서 첨가제는 소결을 촉진할 수 있습니다. 마그네슘-칼슘 내화재의 소결 온도는 일반적으로 높으며, 소결 과정에서 치밀화를 저해하는 요인들이 많습니다. 희토류 산화물을 첨가하면 이 문제를 해결할 수 있습니다. 희토류 산화물의 고유한 특성으로 인해 내화재에 희토류 산화물을 첨가하면 내부 구조가 변화하여 마그네슘-칼슘 내화재의 소결이 촉진됩니다. (2) 희토류 산화물은 마그네슘-칼슘 내화재의 미세 구조를 개선할 수 있습니다. 희토류 산화물을 첨가하면 내화재의 내부 미세 구조가 개선되어 결정립계 이동 속도가 감소하고, 결정립 성장이 억제되며, 치밀한 구조 형성에 도움이 됩니다. (3) 희토류 산화물의 도핑 변형. 내화재 제조 과정에서 희토류 산화물을 도핑하면 시편의 결정 형태가 변화하여 부피가 변합니다. 이러한 변화는 굽힘 저항성과 인성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 내화재 제조 공정에서 재료의 관련 특성을 개선하고 최적화하기 위한 첨가제 첨가 연구는 항상 많은 관심을 받아 왔습니다. 현재 연구에서는 마그네시아 칼슘 모래 원료가 소결이 어렵고 수화되기 쉽다는 문제에 중점을 두고 있습니다. 주요 첨가제로는 ZrO₂, Fe₂O₃, Al₂O₃, 희토류 산화물 등이 있습니다.
10개 산업에 황산바륨의 적용
황산바륨은 대부분의 사람들에게 생소한 용어이며, 화학에 익숙하지 않은 사람들조차도 위험한 화학물질로 여길 수 있습니다. 그러나 황산바륨은 우리 일상생활 어디에나 존재하며, 종종 제조품의 형태로 나타납니다. 예를 들어, 가정의 대부분의 플라스틱 제품, 에어컨, 자동차 플라스틱 부품, 슈퍼마켓 비닐봉지, 페인트, 코팅제, 유리에는 모두 황산바륨이 함유되어 있을 수 있습니다.
10대 주요 산업에서의 황산바륨 활용
1. 석유 산업: 석유 및 가스전 시추용 머드 첨가제용 200메시 및 325메시 중정석 분말.
2. 화학 산업: 중정석 염화 공장은 중정석을 원료로 사용하여 리토폰, 침전 황산바륨, 탄산바륨을 생산합니다.
3. 페인트 및 코팅 산업: 중정석은 페인트 및 코팅의 충전재로 사용되어 침전 황산바륨, 리토폰, 이산화티타늄, 활성 실리카와 같은 고가의 원료를 대체할 수 있습니다. 도료 점도 조절 및 선명하고 안정적인 색상 구현에 적합합니다.
4. 플라스틱 산업: 중정석은 ABS 플라스틱 원료의 필러로 사용되어 광택을 더하는 동시에 강도, 강성, 내마모성을 향상시킵니다.
5. 고무 산업: 500메시 이하의 중정석 분말은 고무 제품의 필러로 널리 사용되어 경도, 내산성, 내알칼리성, 내수성을 향상시키면서 비용을 절감할 수 있습니다. 또한 천연 및 합성 고무의 강화재로도 탁월합니다.
6. 제지 산업: 고미립 중정석 분말은 화이트보드 및 코팅지의 필러 및 코팅 필러로 사용되어 백색도와 표면 피복성을 향상시킬 수 있습니다. 제품 사양: 325메시, 400메시, 600메시, 800메시, 1250메시, 1500메시, 2000메시, 2500메시, 3000메시, 4000메시, 5000메시, 6000메시.
7. 시멘트 산업
시멘트 생산에 중정석과 형석 복합 광화제를 첨가하면 시멘트의 백색도와 강도를 높일 수 있습니다. 바륨 시멘트, 중정석 모르타르, 중정석 콘크리트를 만드는 데 사용할 수 있으며, 이러한 중정석은 X선 차폐가 필요한 건물에 사용될 수 있습니다.
8. 유리 산업
유리의 광학적 안정성, 광택 및 강도를 높이기 위해 탈산제, 청징제, 플럭스로 사용할 수 있습니다.
9. 건설 산업
콘크리트 골재, 포장재, 습지대 매설 배관 보강재, 원자력 시설, 원자력 발전소, X선 실험실 차폐재의 납 시트 대체재로 사용되어 도로 표면의 수명을 연장할 수 있습니다.
10. 세라믹 산업
중정석 분말은 세라믹 및 기타 산업에서 고품질 충전재로도 사용할 수 있습니다. 현재 세라믹 산업에서 황산바륨의 사용량은 감소하는 반면, 규회석 분말의 사용량은 증가하고 있습니다.
위에서 언급한 10가지 산업 분야의 응용 분야는 모두 사람들의 생계에 매우 중요하고 필수적입니다. 이는 무기 비금속 광물 분말인 황산바륨의 중요한 역할과 광범위한 응용 분야를 보여줍니다.
세라믹 산업에서 널리 사용되는 블랙 탤크
흑색 활석은 일반적으로 활석, 석영, 방해석, 세피올라이트, 유기 탄소로 구성되며, 검은색에서 회흑색까지 다양한 색상을 띱니다.
흑색 활석의 주요 화학 성분은 산화마그네슘, 산화규소, 산화알루미늄, 산화철, 산화티타늄, 산화나트륨, 산화칼륨입니다.
흑색 활석의 응용
(1) 세라믹 산업용 원료
흑색 활석의 가공 성능은 다른 소재로 대체할 수 없습니다. 흑색 활석으로 소성된 고백자 및 골도재는 활석 도자기 또는 마그네슘 도자기라고도 합니다.
(2) 고무 제품용 충전제
고무 제품용 충전제인 흑색 활석 분말은 우수한 분산성과 특정 보강 특성을 가지고 있습니다.
(3) 플라스틱 제품용 충전제
플라스틱 충전제는 두 가지 유형의 흑색 활석 제품을 사용하는데, 하나는 흑색 활석 분말이고 다른 하나는 소성 활석 분말입니다.
(4) 코팅용 필러
활석은 부드러운 질감, 낮은 마모성, 우수한 현탁성 및 분산성을 가지고 있어 코팅에 사용되기 시작했습니다.
(5) 기타
상기 산업 분야에서 널리 사용되는 것 외에도, 흑색 활석은 방수 원료, 비료, 살충제, 정밀 화학 등의 산업에서 필러 및 흡착제로도 사용될 수 있습니다.
흑색 활석의 소성 및 백색화
흑색 활석 가공의 주요 목적은 백색도를 향상시키는 것입니다. 흑색 활석의 자연 백색도는 약 50% 또는 그 이하이므로 세라믹 및 고무와 같은 산업 분야에만 널리 사용됩니다. 필러로서 활석은 높은 백색도를 가져야 합니다. 활석의 적용 범위를 확대하려면 백색도를 향상시키기 위한 적절한 조치가 필요합니다. 백색도를 높이고 물리적 특성을 변화시키는 소성은 활석의 부가가치를 향상시킵니다.
현재 흑색 활석의 백색도를 향상시키는 주요 방법은 소성입니다. 소성의 주요 목적은 활석에서 유기 탄소를 제거하여 산업적 요건을 충족하는 백색도를 얻고 그 적용 범위를 확대하는 것입니다. 소성 후 백색도는 최대 95%에 도달하여 우수한 내화성, 내열성, 단열성, 접착력, 흡착력 및 윤활성을 나타냅니다. 제지, 세라믹, 플라스틱, 페인트, 코팅, 제약, 화장품, 항공우주, 기계, 전자, 컴퓨터 및 건축 장식 분야에 적합합니다.
흑색 활석 소성 공정
소성과 분쇄는 흑색 활석의 고백도 및 초미분 가공에 사용되는 두 가지 공정입니다. 공정 순서에 따라 소성 후 초미분 분쇄, 초미분 분쇄 후 소성이라는 두 가지 주요 공정이 있습니다.
분쇄 전 소성 공정
이 공정의 장점은 공정이 간단하고 가공 비용이 낮다는 것입니다. 그러나 초미분쇄 및 분급 후, 최종 탈크 제품의 백색도는 약 85%로, 소성 후 원하는 백색도인 95%에는 미치지 못합니다.
소성 전 분쇄 공정
이 공정의 장점은 소성 후 백색도 균일도가 더 우수하여 92% 이상의 백색도를 얻을 수 있다는 것입니다. 그러나 이 공정은 응집이나 적백색 번짐 현상이 발생하기 쉽습니다.
실리콘 카바이드의 응용 분야
탄화규소는 높은 밴드갭 폭, 높은 항복 전계, 높은 열전도도, 높은 전자 포화 드리프트율과 같은 중요한 특성을 가지고 있습니다. 고온, 고전력, 고전압, 고주파와 같은 복잡한 시나리오에 대한 과학기술 개발의 장치 요건을 충족할 수 있습니다. 탄화규소는 전력 전자, 신에너지 자동차, 에너지 저장, 지능형 제조, 태양광 발전, 철도 운송 등 다양한 분야에 널리 사용되고 있습니다. "모든 것이 탄화규소로 가능하다"라고 할 수 있습니다.
신에너지 자동차에서의 탄화규소 응용
신에너지 자동차 분야에서 탄화규소 기술의 적용은 전기 및 하이브리드 자동차의 성능 향상에 핵심적인 역할을 하고 있습니다. 높은 열전도도, 높은 항복 전계 강도, 그리고 뛰어난 기계적 특성을 가진 탄화규소 소자는 전기 구동 시스템, 충전 시스템, 그리고 에너지 관리 시스템의 효율과 신뢰성을 크게 향상시킵니다.
지능형 주행 및 차량 인터넷(IoT) 분야에서 실리콘 카바이드의 응용
지능형 주행 및 차량 인터넷의 급속한 발전 속에서, 뛰어난 성능을 자랑하는 실리콘 카바이드 기술은 센서 시스템, 데이터 처리 장치, 통신 모듈 등 핵심 분야에 점차 적용되어 시스템 성능과 신뢰성을 크게 향상시키고 있습니다.
태양광 시스템에서 실리콘 카바이드의 응용
태양광 시스템에서 인버터, MPPT 컨트롤러, 에너지 저장 변환 모듈과 같은 핵심 부품은 고효율, 고내압, 고온 작동, 소형화 등 전력 소자에 다양한 요건을 요구합니다. 기존 실리콘 소자는 고전압 및 고온 환경에서 효율이 크게 저하되어 태양광 발전소의 증가하는 전력 밀도 요구 사항을 충족하지 못했습니다.
5G 통신 분야에서 실리콘 카바이드의 응용
무선 통신 및 레이더 시스템과 같은 분야에서 RF 소자는 신호 전송 및 처리의 핵심 역할을 하며, 그 성능은 시스템 안정성에 매우 중요합니다. 반절연성 실리콘 카바이드 기반 RF 소자는 넓은 밴드갭 특성으로 인해 저손실, 고대역폭, 높은 전력 밀도와 같은 장점을 제공하여 차세대 5G 및 군용 통신 시스템의 핵심 동력원으로 자리매김하고 있습니다.
전력망에서의 실리콘 카바이드 응용
실리콘 카바이드는 송전 및 배전의 효율과 용량을 향상시켜 전력망을 크게 향상시킬 수 있습니다. 실리콘 카바이드 기판은 더 높은 온도, 전압, 주파수에서 작동할 수 있어 컨버터, 스위치기어, 변압기와 같은 부품을 더 작고 효율적으로 만들어 에너지 손실을 줄이고 전력 품질을 향상시킵니다.
저고도 항공기에서의 실리콘 카바이드 응용
eVTOL(전기 수직 이착륙)로 대표되는 신형 항공기는 세계 저고도 경제의 핵심으로 자리 잡았으며, 수조 달러 규모의 새로운 산업으로 성장할 것으로 예상됩니다. SiC MOSFET 소자는 효율성 향상과 경량화 혁신을 통해 eVTOL을 실험 단계에서 상용 운영 단계로 끌어올리고 있습니다. SiC MOSFET 소자는 eVTOL 전력 시스템의 핵심 구성 요소로 자리 잡았으며, 향상된 성능과 비용 절감은 업계의 대규모 적용을 촉진할 것입니다.
인공지능(AI) 분야에서 실리콘 카바이드의 적용
전기는 인공지능(AI) 발전을 위협하는 최신 병목 현상이 되고 있습니다. AI의 급속한 컴퓨팅 성능 향상은 에너지 소비 증가를 동반하며, 이는 일반적인 사회적 에너지 수요에 큰 영향을 미치고 있습니다. 예를 들어 미국의 데이터 센터는 2030년까지 국가 전력 생산량의 최대 9%를 소비할 것으로 예상되며, 이는 중형 원자력 발전소 40기의 연간 출력량과 거의 같습니다.
전기 소비량이 이처럼 막대한 상황에서 에너지 소비량을 0.1%만 줄여도 상당한 효과를 볼 수 있습니다. 이러한 심각한 전력 부족 문제를 해결하기 위해 전 세계 산업 생태계는 가능한 모든 방안을 적극적으로 모색하고 있습니다. 예를 들어, 온세미컨덕터는 새로운 실리콘 트렌치 전력 MOSFET과 SiC MOSFET 시리즈를 개발했습니다.
로봇 산업에서의 실리콘 카바이드 적용
로봇과 신에너지 자동차는 기술 아키텍처 측면에서 매우 유사합니다. 자동차용 칩은 로봇 애플리케이션에 적용될 수 있지만, 다양한 성능 요건을 충족해야 합니다. 예를 들어, 전력 반도체는 자동차 시스템뿐만 아니라 로봇 관절의 모터 구동 컨트롤러에도 적용 가능한 기술적 역량을 갖추고 있습니다. 이처럼 새롭게 부상하는 로봇 시장에서 효율적인 전력 제어에 대한 수요는 빠르게 증가하고 있습니다.
양극재 소재의 '구원자' 알루미나
리튬 이온 배터리의 기본 구조는 양극, 음극, 전해질, 분리막, 그리고 배터리 쉘로 구성됩니다. 양극 재료는 리튬 이온 배터리의 핵심 소재로, 배터리의 에너지 밀도, 전압 플랫폼, 사이클 수명 및 안전성을 결정합니다.
현재 리튬 코발트 산화물(LiCoO₂), 리튬 망간 산화물(LiMn₂O₄), 리튬 인산철(LiFePO₄), 그리고 3원계 재료(Li-Ni-Co-Mn-O)가 상용화된 리튬 이온 배터리용 양극 재료 네 가지이지만, 안전성, 사이클 성능, 용량 유지 등 여러 측면에서 결함이 있습니다. 양극 재료의 안정성을 향상시키기 위해 연구자들은 도핑, 표면 코팅 등 다양한 개질 방법을 사용하며, 두 가지 방법은 공통적입니다.
알루미나는 어떻게 양극 성능을 향상시킬까요?
양극 재료에 알루미나를 코팅하면 양극 재료의 사이클 안정성, 사이클 수명 및 열 안정성을 효과적으로 향상시킬 수 있습니다. 양극 재료에 대한 Al2O3의 주요 효과는 다음과 같습니다.
(1) 불화수소(HF) 제거제
LiPF6는 전해질에 일반적으로 사용되는 전해질입니다. 고전압에서 육불화인산리튬(LiPF6)은 미량의 물과 반응하여 HF를 생성합니다.
(2) 물리적 보호 장벽
양극 재료 표면에 Al2O3 층을 코팅하면 양극 재료를 전해질로부터 분리하고 양극 재료와 전해질 간의 유해한 부반응 발생을 억제할 수 있습니다.
(3) 양극 재료의 열 안정성 향상
열 안정성은 리튬 이온 배터리의 성능을 평가하는 핵심 요소 중 하나입니다. 리튬 배터리의 충방전 과정에서 양극 재료의 격자 산소가 방출되면 전해질이 산화되어 열 안정성이 저하됩니다.
(4) 리튬 이온 확산 속도 향상
산화알루미늄은 전자와 이온의 좋은 전도체는 아니지만, 충방전 과정에서 양극재 표면에 잔류하는 리튬과 반응하여 LiAlO2를 생성할 수 있습니다. LiAlO2는 이온의 좋은 전도체이며 리튬 이온의 확산 속도를 증가시킬 수 있습니다. 이는 주로 LiAlO2가 리튬 이온의 확산 에너지 장벽을 낮추기 때문입니다.
(5) LiPF6와 반응하여 전해질 첨가제 LiPO2F2 생성
양극재 표면에 코팅된 산화알루미늄은 전해질 내의 리튬염(LiPF6)과 반응하여 리튬 디플루오로인산염(LiPO2F2)을 생성할 수 있습니다. 이는 양극재의 사이클 안정성, 안전성 및 율속 성능을 크게 향상시킬 수 있는 안정적인 전해질 첨가제입니다.
(6) 얀-텔러 효과 억제
얀-텔러 효과는 양극재 내 Mn 이온의 용해를 유발하는 주요 원인으로, 양극재 구조의 붕괴를 유발하고 리튬 이온의 확산을 방해하여 양극재의 전기화학적 성능을 저하시킬 수 있습니다.
5대 코팅 기술
함침법: 양극재를 알루미늄 전구체가 포함된 용액 또는 졸에 첨가하여 균일한 슬러리를 형성한 후, 건조 및 소성하여 알루미나 코팅 양극재를 형성합니다.
침전법: 양극재와 질산알루미늄 또는 염화알루미늄과 같은 용액을 균일하게 혼합하고, 혼합 용액의 pH를 조절하여 양극재 표면에 코팅층을 형성한 후, 여과, 세척, 건조 및 열처리를 통해 알루미나 코팅 양극재를 생성합니다.
건식 코팅 공정: 알루미나와 양극재를 직접 혼합하여 양극재 표면에 거친 코팅층을 형성할 수 있습니다. 양극재 표면에 균일한 코팅을 달성할 수는 없지만, 양극재의 전기화학적 성능 향상에는 긍정적인 영향을 미칩니다.
스퍼터링 방식: 스퍼터링 방식은 Ar+ 이온을 사용하여 타겟 물질(Al)에 충격을 가하여 Al 원자를 스퍼터링하여 양극재 표면에 증착시킵니다.
원자층 증착 기술(ALD): 트리메틸알루미늄 및 기타 재료를 알루미늄 소스로 사용하여 양극재 표면에 산화알루미늄을 코팅합니다. 코팅 두께는 정밀하게 제어할 수 있으며, ALD 사이클 횟수를 증가시킴으로써 코팅 두께를 증가시킬 수 있습니다.
금속 3D 프린팅 부품의 품질은 분말에 따라 달라집니다.
금속 분말의 원료로서 품질은 최종 제품의 품질을 크게 좌우합니다. 일반적으로 분말의 청결도, 형태 및 입자 크기 분포는 부품의 성형 성능을 좌우하는 핵심 요소입니다.
분말의 형태는 겉보기 밀도와 유동성에 직접적인 영향을 미치며, 이는 다시 분말 공급 및 분산 공정과 부품의 최종 성능에 영향을 미칩니다. 분말 베드 융합 적층 제조(PBF)에서 분말 분산 메커니즘은 성형 영역에 분말 입자를 고르게 분산시키며, 우수한 유동성은 균일하고 평평한 분말 베드를 얻는 데 핵심적인 요소입니다. 구형 및 구형에 가까운 분말은 유동성이 우수하고 겉보기 밀도와 밀도가 높으며 구조가 균일하여 분말 베드 융합 적층 제조에 적합한 원료 분말입니다.
그러나 구형 및 구형에 가까운 분말에 중공 분말과 위성 분말이 존재하는 경우 부품의 최종 성능이 저하됩니다. 중공 분말은 입자 크기가 70µm를 초과하는 분말에서 더 높은 비율을 차지하며, 이는 성형된 부품에 기공과 같은 결함을 발생시켜 제거하기 어렵게 만듭니다. 위성 분말은 분말의 유동성을 감소시키고 연속적인 분말 층을 도포하는 동안 분말의 균일한 축적을 방해하여 부품 결함을 유발합니다. 따라서 분말 베드 융합 적층 제조용 금속 분말은 분말 원료에서 중공 분말과 위성 분말의 비율을 최소화해야 합니다.
분말 입자 크기 분포는 분말 입자 시스템에서 다양한 입자 크기를 가진 입자의 구성 및 변화를 특성화하는 데 사용되며, 분말 입자의 특성을 설명하는 데 사용되는 중요한 매개변수입니다.
분말의 입자 크기는 적층 제조 공정의 분말 도포 품질, 성형 속도, 성형 정확도 및 조직 균일성에 직접적인 영향을 미칩니다. 공정에 따라 선택된 분말 입자 크기는 다릅니다. 일반적으로 레이저 선택적 용융 기술(SLM)은 입자 크기가 15~45µm인 분말을 선택하고, 전자빔 선택적 용융 기술(SEBM)은 입자 크기가 45~106µm인 분말을 선택합니다.
열역학 및 동역학 관점에서 볼 때, 분말 입자가 작을수록 비표면적이 커지고 소결 추진력이 커집니다. 즉, 작은 분말 입자는 부품 성형에 유리합니다. 그러나 입자가 너무 미세하면 유동성, 밀도, 전기 전도성이 저하되고, 성형성이 저하되며, 인쇄 공정에서 구형화가 발생하기 쉽습니다. 분말 입자 크기가 너무 거칠면 소결 활성, 분말 확산 균일성, 성형 정확도가 저하됩니다.
따라서 최종 부품의 성능 요구 사항에 따라 거친 분말과 미세 분말을 적절히 배합하여 분말의 겉보기 밀도와 유동성을 향상시키고, 이는 분말 베드 융합 적층 제조에 유리합니다. 연구진은 레이저 분말 베드 융합 적층 제조 공정의 일반적인 입자 크기 범위에서 더 넓은 입자 크기 분포를 사용하면 작은 입자가 큰 입자 사이의 틈새에 더 많이 채워지고 분말 적층 공정에서 분말 베드 밀도를 향상시킬 수 있다고 생각합니다.
분말 특성 변화가 성형 품질에 미치는 영향에 대한 현재 연구 현황을 살펴보면, 분말 크기, 형태 및 표면 상태의 변화는 분말의 분산 및 성형 품질에 영향을 미칩니다. 성형 밀도 측면에서, 적절한 입자 크기 분포, 더 높은 구형도, 그리고 입자 간 응집력 감소는 분말의 느슨한 밀도 및 분말 분산 품질을 개선하고, 성형 시편의 기공 및 미융착 결함 수를 더욱 줄이며, 성형 밀도를 향상시킬 수 있습니다.
개질 - 나노 알루미나를 더욱 완벽하게 만들기
나노 알루미나는 새로운 유형의 고기능성 미세 무기 재료입니다. 나노 알루미나 분말이 1980년대 중반에 개발된 이후, 사람들은 이 첨단 소재에 대한 이해를 심화시켜 왔으며, 고경도, 고강도, 내열성, 내식성 등 다양한 특성을 발견했습니다. 따라서 항공우주, 국방, 화학 산업, 마이크로전자 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다.
나노 알루미나의 실제 응용 분야에서 분말의 개질은 항상 매우 중요한 작업이었습니다.
개질의 이유는 무엇일까요?
우선, 나노 알루미나는 다양한 특성을 가진 나노 소재로서, 매우 작은 입자 크기와 큰 표면 에너지로 인해 응집되기가 매우 쉽습니다. 응집 현상이 특히 심각할 경우, 나노 소재 알루미나의 특성에 큰 영향을 미칩니다.
또한, 나노 알루미나는 생물의약품 연구를 위한 바이오필름으로 활용될 수 있지만, 균형 잡힌 표면 전하를 가진 결정의 표면 전하는 격자 결함으로 인해 불균일하게 분포됩니다. 표면 전하 결함과 공간 전하 영역이 미크론 단위로 축적되면 격자 형태의 쌍극자 모멘트가 발생합니다. 생물학적 물질이 이러한 분말 표면에 접촉하면 농축(enrichment) 현상이 발생하여 기공 막힘 및 막 오염을 유발합니다.
더 나아가, 알루미나의 절연성과 높은 강도는 코팅 및 고무와 같은 재료의 경도, 절연성, 연성 및 내마모성을 향상시키기 위한 필러로 사용됩니다. 그러나 알루미나는 극성 물질이며 비극성 고분자 재료와의 상용성이 낮습니다.
따라서 알루미나의 표면 개질은 많은 관심을 받고 있습니다.
표면 개질은 물리적 또는 화학적 방법을 통해 고체 입자를 표면 처리하는 것을 의미하며, 즉 응용 분야에 따라 입자 표면의 물리적, 화학적 특성과 표면 형태를 의도적으로 변화시키는 과정입니다. 현재 가장 실용적인 개질 방법은 두 가지입니다. 첫 번째 방법은 주로 유기 개질제를 사용하기 때문에 표면 유기 개질이라고 하며, 두 번째 방법은 무기 코팅 개질 또는 표면 코팅 개질입니다.
표면 유기 개질
초미립자 분말의 표면 유기 개질은 해당 유기기를 연결하여 입자 표면을 소수성으로 만들어 수지, 고무, 도료 등의 유기 매트릭스에서 분산 성능과 계면 상용성을 향상시키고, 이를 통해 제품 가공 공정 및 복합 재료 역학의 종합적인 특성을 개선하는 것입니다. 개질제는 화학 구조의 종류에 따라 고급 지방산 또는 그 염, 저급 지방산, 커플링제로 구분됩니다.
(1) 물리적 코팅 개질
물리적 코팅 개질 또는 코팅 처리 개질은 개질 목적을 달성하기 위해 유기물(고분자, 수지, 계면활성제, 수용성 또는 유용성 고분자 화합물, 지방산 비누 등)을 사용하여 입자 표면을 코팅하는 방법입니다. 입자 표면을 단순히 개질하는 공정입니다.
(2) 표면 화학적 개질
표면 화학적 개질은 표면 개질제와 입자 표면 사이의 화학 반응 또는 화학 흡착을 통해 이루어집니다. 이는 생산 공정에서 가장 널리 사용되는 개질 방법입니다.
(3) 그래프팅 개질
그래프팅 개질은 특정 외부 여기 조건 하에서 단량체 올레핀 또는 폴리올레핀을 분말 표면에 도입하는 개질 공정입니다. 경우에 따라, 도입 후 단량체 올레핀을 여기시켜 표면에 부착된 단량체 올레핀을 중합해야 할 수도 있습니다.
표면 코팅 개질
표면 코팅 개질은 초미세 알루미나 분말 입자 표면에 더 작은 고체 입자 또는 고체 필름을 균일하게 코팅하여 입자의 표면 조성, 구조, 외관 및 원래 기능을 변화시키는 개질 기술을 말합니다.
코팅 반응의 환경 및 형태, 입자 간 개질된 코팅의 특성 및 방법에 따라 표면 코팅 개질 방법은 화학적 침전법, 가수분해 코팅법, 졸-겔법, 용매 증발법, 기계화학적법, 기상법으로 구분할 수 있습니다. 그 중, 처음 세 가지 방법은 모두 용액 반응법입니다. 즉, 용해성 염 용액을 침전제와 가수분해를 통해 침전시킨 후, 개질하고자 하는 입자 분말 표면에 코팅하는 방법입니다.
나일론 개질에 우수한 충전제인 황산바륨을 사용하는 장점은 무엇입니까?
황산바륨(Barium Sulfate)은 중정석(barite)으로도 알려져 있으며, 무색, 무취, 무독성 무기 화합물로 화학식 BaSO4를 갖습니다. 높은 밀도, 높은 백색도, 우수한 화학적 안정성, 내산성 및 내알칼리성으로 알려져 있으며, 물과 대부분의 산에 불용성입니다. 이러한 특성으로 인해 황산바륨은 다양한 산업 분야, 특히 플라스틱 개질 분야에서 널리 사용되고 있으며, 특히 나일론(PA) 개질에 탁월한 장점을 보입니다.
나일론은 우수한 기계적 특성, 내마모성, 내산성 및 내알칼리성, 자가 윤활성을 갖춘 고분자 소재로 다양한 산업 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 그러나 높은 수분 흡수율과 낮은 치수 안정성과 같은 나일론의 단점은 적용 범위를 제한합니다. 따라서 나일론의 성능을 향상시키기 위해 개질하는 것이 특히 중요합니다. 중성 충전제인 황산바륨은 나일론 개질에서 강화, 인성 강화, 광택 향상 등 다양한 역할을 합니다.
보강 효과
무기 충전제로서 황산바륨을 첨가하면 나일론의 강성(탄성률)과 경도를 크게 향상시킬 수 있으며, 기어 및 베어링과 같이 높은 탄성률이 요구되는 산업 부품에 적합합니다. 관련 실험 결과에 따르면 나노 황산바륨 함량이 증가함에 따라 나일론의 굽힘 탄성률과 인장 탄성률이 향상됩니다. 특히 나노 황산바륨의 질량 분율이 일정 수준(예: 3%)일 때 나일론의 기계적 특성이 가장 우수해집니다. 이러한 보강 효과는 주로 황산바륨의 강성과 나일론 매트릭스와의 우수한 계면 결합에 기인합니다.
치수 안정성: 가공 또는 사용 중 나일론의 수축 및 휨을 줄이고 치수 정확도를 향상시킵니다.
열 변형 온도(HDT): 폴리머 사슬의 이동을 제한하여 재료의 열 안정성을 향상시키고 고온 환경(예: 자동차 엔진 부품)에서 나일론의 적용 범위를 확대합니다.
강화 효과
황산바륨은 보강 효과 외에도 나일론에 강화 효과를 줄 수 있습니다. 나노 황산바륨 입자와 나일론 매트릭스 사이의 상호작용은 탄성 전이층을 형성하여 계면의 응력을 효과적으로 전달하고 완화시켜 외부 충격 에너지를 흡수 및 분산시키고 재료의 인성을 향상시킵니다. 그러나 황산바륨의 함량이 일정 수준까지 증가하면 응집이 발생하여 재료의 성능이 저하될 수 있다는 점에 유의해야 합니다.
광택 향상
황산바륨은 자외선 및 적외선 파장 영역에서 강한 빛 반사 능력을 가지고 있어 플라스틱 착색제에서 높은 밝기를 나타낼 수 있습니다. 적절한 입자 크기의 황산바륨을 선택하여 나일론에 충진하면 가공된 제품의 표면 광택을 크게 향상시킬 수 있습니다. 또한, 황산바륨의 굴절률은 나일론과 같은 고분자의 굴절률과 유사하여 착색 안료의 밝기와 색상을 유지할 수 있습니다.
실제 적용
실제 적용에서 황산바륨은 일반적으로 용융 블렌딩을 통해 나일론 매트릭스에 나노미터 단위로 균일하게 분산됩니다. 이 방법은 나노 황산바륨의 크기 효과, 넓은 비표면적, 그리고 강력한 계면력을 활용하여 황산바륨의 강성, 치수 안정성, 열 안정성을 나일론의 인성, 가공성 및 유전 특성과 완벽하게 결합하여 탁월한 종합적 성능을 제공합니다.
황산바륨은 나일론 개질에서 상당한 강화, 인성 향상 및 광택 개선 효과를 보였습니다. 황산바륨의 함량과 입자 크기 분포를 합리적으로 제어함으로써 나일론의 기계적 특성을 최적화하고, 제품의 내구성과 미관을 개선하며, 성능과 비용의 균형을 맞추고, 특정 상황에 맞는 제형 설계를 최적화하여 나일론의 적용 범위를 넓힐 수 있습니다.
고품질의 탄화규소 단결정을 제조할 때 주의해야 할 점은 무엇입니까?
현재 탄화규소 단결정을 제조하는 방법에는 주로 물리 기상 수송(PVT), 상층 시드 용액 성장(TSSG), 고온 화학 기상 증착(HT-CVD) 등이 있습니다.
이 중 PVT법은 장비가 간단하고, 운전 제어가 용이하며, 장비 가격과 운전 비용이 저렴하다는 장점이 있어 산업 생산에 널리 사용되는 방법입니다.
1. 탄화규소 분말 도핑 기술
탄화규소 분말에 적정량의 Ce 원소를 도핑하면 4H-SiC 단결정의 안정적인 성장 효과를 얻을 수 있습니다. 실제 실험 결과, 분말에 Ce 원소를 도핑하면 탄화규소 결정의 성장 속도가 빨라지고 결정 성장이 빨라집니다. 또한 탄화규소의 배향을 제어하여 결정 성장 방향을 더욱 단일하고 규칙적으로 만들 수 있습니다. 또한 결정 내 불순물 생성을 억제하고 결함 발생을 줄여 단결정 및 고품질 결정을 얻는 데 도움이 됩니다. 또한 결정 후면의 부식을 억제하고 결정의 단결정 성장 속도를 높일 수 있습니다.
2. 축방향 및 반경방향 온도장 구배 제어 기술
축방향 온도장은 결정 성장 형태와 결정 성장 효율에 주로 영향을 미칩니다. 온도 구배가 너무 작으면 결정 성장 과정에서 불순물이 생성되고, 기체 물질의 수송 속도에도 영향을 미쳐 결정 성장 속도가 감소합니다. 적절한 축방향 및 반경방향 온도 구배는 SiC 결정의 빠른 성장을 촉진하고 결정 품질의 안정성을 유지하는 데 도움이 됩니다.
3. 기저면 전위(BPD) 제어 기술
BPD 결함이 발생하는 주요 원인은 결정 내부의 전단 응력이 SiC 결정의 임계 전단 응력을 초과하여 슬립 시스템이 활성화되기 때문입니다. BPD는 결정 성장 방향에 수직이기 때문에 주로 결정 성장 과정과 이후 결정 냉각 과정에서 발생합니다.
4. 기체상 성분비 조절 제어 기술
결정 성장 과정에서 성장 환경의 탄소-규소 비율과 기체상 성분비를 증가시키는 것은 단결정의 안정적인 성장을 달성하는 효과적인 방법입니다. 높은 탄소-실리콘 비율은 큰 단차 응집을 줄이고 시드 결정 표면의 성장 정보 유전을 유지할 수 있으므로 다형체 생성을 억제할 수 있습니다.
5. 저응력 제어 기술
결정 성장 과정에서 응력이 발생하면 SiC 결정의 내부 결정면이 휘어져 결정 품질이 저하되거나 결정 균열이 발생할 수 있습니다. 또한, 큰 응력은 웨이퍼의 기저면 전위를 증가시킵니다. 이러한 결함은 에피택셜 공정 중 에피택셜층으로 유입되어 이후 소자의 성능에 심각한 영향을 미칩니다.
앞으로 고품질 SiC 단결정 제조 기술은 여러 방향으로 발전할 것입니다.
대형
대형 탄화규소 단결정 제조는 생산 효율을 향상시키고 비용을 절감하는 동시에 고출력 소자의 요구를 충족할 수 있습니다.
고품질
고품질 탄화규소 단결정은 고성능 소자 구현의 핵심입니다. 현재 탄화규소 단결정의 품질은 크게 향상되었지만, 마이크로파이프, 전위, 불순물과 같은 결함은 여전히 존재합니다. 이러한 결함은 소자의 성능과 신뢰성에 영향을 미칩니다.
저비용
탄화규소 단결정의 제조 비용이 높아 일부 분야에서의 적용이 제한적입니다. 탄화규소 단결정의 제조 비용은 성장 공정 최적화, 생산 효율 향상, 그리고 원자재 비용 절감을 통해 절감할 수 있습니다.
지능형
인공지능 및 빅데이터와 같은 기술의 발전으로 탄화규소 결정 성장 기술은 점차 지능화될 것입니다. 센서, 자동 제어 시스템 및 기타 장비를 통해 성장 공정을 실시간으로 모니터링하고 제어하여 성장 공정의 안정성과 제어성을 향상시킬 수 있습니다. 동시에 빅데이터 분석 및 기타 기술을 활용하여 성장 데이터를 분석하고 최적화하여 결정의 품질과 생산 효율을 향상시킬 수 있습니다.
고품질 탄화규소 단결정 제조 기술은 현재 반도체 소재 연구의 핵심 분야 중 하나입니다. 과학기술의 끊임없는 발전에 따라 탄화규소 결정성장 기술은 계속 발전하고 개선되어 고온, 고주파, 고출력 등 분야에서 탄화규소를 응용할 수 있는 더욱 견고한 토대를 제공할 것입니다.